整体中空夹层复合材料冲击防护性能研究

为研究整体中空夹层复合材料的冲击防护性能,结合冲击试验分析了厚度、基体含量、冲击能量变化对其材料冲击防护性能的影响。实验结果表明:随着材料厚度增加,其冲击防护性能先是有所提升,而后变化趋于平缓;材料的基体含量对冲击防护能力影响明显,在较低冲击能量下,低基体含量就有较高的冲击防护性能,而在较高冲击能量下,只有高基体含量才具有高的冲击防护性能。将整体中空夹层复合材料应用于冲击防护领域时,应根据具体的使用情况设计合理的制作工艺。     

剪切增稠流体运用于低速冲击防护的研究

利用剪切增稠流体与芳纶织物进行复合得到STF-芳纶复合材料,通过低速冲击测试平台对STF-芳纶复合材料与多层纯芳纶织物进行低速冲击对比实验。实验结果表明,在相同冲击能量下,纯芳纶织物的隔冲系数和能量吸收率随织物层数的增加而增大;浸渍剪切增稠流体制得的STF-芳纶复合材料与同质量的纯芳纶织物相比,抗低速冲击性能有明显提高,其表面最大冲击力与剩余冲击力小,隔冲系数与能量吸收率大。增加纯芳纶织物层数和采用浸渍剪切增稠流体的复合材料都能提高抗低速冲击性能,后者效果更明显。     

单向复合材料及纯树脂材料抗冲击性能的比较

运用有限元软件ABAQUS,在纱线与树脂基体尺度上计算单向复合材料的抗冲击过程。通过对比分析相同条件下纯树脂材料的抗冲击能力,从弹体的速度变化曲线、冲击应力在复合材料不同组分上的分布等方面说明单向复合材料的抗冲击行为与主要吸能机制。在冲击作用下,与纯树脂材料相比,单向复合材料可使冲击能量在较短的时间内得以耗散,从而表现出更好的能量吸收性能。此外,单向复合材料中的纱线部分的应力峰值明显比树脂部分的应力峰值大,说明单向复合材料所承受的冲击能量主要被纱线增强相所吸收,从而具有更好的抵抗冲击的能力。     

三维机织增强与层压复合材料的抗弹性能分析

以玻璃纤维为经、纬纱,以芳纶纤维为接结纱制备三维正交机织物,以玄武岩纤维为经、纬纱制备层压织物,再分别以上述两种织物作为增强体,乙烯基树脂为基体制备增强复合材料。对两种复合材料以310~790 m/s的子弹初始速度进行弹道冲击实弹试验,对两者的弹道冲击衡量指标进行了分析对比,比较两者的抗弹性能。研究结果表明:三维正交机织复合材料的能量吸收值远大于玄武岩层压复合材料,子弹冲击复合材料靶板后的剩余速度与子弹冲击复合材料前的初始速度呈线性关系,弹道极限速度V_(50)与初始入射速度的关系曲线与入射速度-能量吸收的拟合曲线基本相似。     

低速冲击下部分材料的能量吸收与扩散

从低速冲击下人体损伤与防护的角度出发,借助自制的冲击测试平台,主要探索部分材料以及组合材料在低速冲击下能量的吸收与传递情况,以及传递到被保护者一面的剩余冲击能量与材料各项特性的关系.对开发优良防护性和实用性的纺织复合材料以及利用纺织复合材料实现低速冲击作用下人体防护技术的应用研究具有重要的意义.     

低速冲击下纺织复合材料抗弯模量与能量吸收特性

主要研究低速冲击下复合材料弯曲形变与能量吸收特性之间的关系,并研究了树脂基增强纤维铺覆手段对材料能量吸收效果的影响.对所制备的复合材料进行冲击试验,研究复合材料抗弯试验的结果与材料冲击能量吸收性能测试结果的关系.分析发现:在一定厚度范围内材料抗弯模量与能量吸收优异程度正相关,抗弯模量高的增强复合材料传递冲击应力波的性能更好,并能在弯曲形变中吸收更多冲击能量.     

芳纶平纹机织/非织造混杂结构复合材料低速冲击性能的有限元分析

采用有限元分析方法，研究含芳纶平纹机织物/芳纶非织造布的6种不同预制体结构在不同低速冲击能量下的低速冲击性能，探究不同混杂结构复合材料的低速冲击响应特性，揭示材料在低速冲击条件下的失效机制。有限元分析结果表明，有限元模拟结果和试验结果吻合度较高；在低速冲击能量作用下，层间交替铺层复合材料的损伤程度和变形程度最小；树脂与纱线脱黏、纤维束部分受损，以及非织造布层损伤是复合材料主要的失效模式；芳纶平纹机织物优异的抗剪切性能可阻止损伤的扩展并提高复合材料的损伤容限。     

三维编织复合材料动态冲击性能的数值模拟

介绍弹体冲击三维编织复合材料显式算法的原理、方法以及求解步骤,建立三维编织复合材料编织物增强体和树脂二相结构的三维模型,并考虑了纤维和树脂材料本构关系的非线性以及弹体和纤维、树脂接触的非线性。通过模拟计算得到弹体的剩余速度和实际测试速度基本相一致的结论,进而得到三维编织复合材料的吸能机制及弹体在三维编织复合材料中的偏移和所受接触力的变化情况。同时模拟出侵彻过程中弹靶的破坏特征,从而为设计轻型防护材料提供参考。     

单向复合材料冲击破坏模拟

为了说明单向复合材料在高速冲击下的破坏行为,为抗冲击材料的结构设计提供指导。通过有限元模拟分析的方法,在纱线与树脂基体尺度上计算单向复合材料在不同冲击速度下的响应与破坏。对比分析不同冲击速度下材料上某特殊位置点的挠度变化曲线、应力变化曲线以及材料破坏形态等方面,说明单向复合材料的抗冲击行为。在高速冲击作用下,由于冲击能量被靶体的吸收与耗散,单向复合材料的应力及变形幅度随着时间的延续越来越小;此外,树脂碎裂、纱线的断裂抽拔是单向复合材料在高速冲击下的主要破坏模式。且由于受力模式的不同,材料下表面的破坏程度比上表面更为剧烈。     

复合材料夹芯板低速冲击下的剩余压缩强度研究

金属泡沫复合材料夹芯板具有高比强度和高比模量,以及优异的耐疲劳、耐腐蚀和缓冲吸能性能。但在夹芯板的实际使用过程中难免受到各种外物的冲击,冲击将降低夹芯结构的刚度和强度,从而影响其安全性。为了能够对金属泡沫复合材料夹芯板受到低速冲击后的剩余压缩强度试验准确预报,本文以铝泡沫复合材料夹芯板为研究对象,对不同冲击能量下夹芯板剩余压缩强度进行了对比研究。通过有限元仿真方法对夹芯板的剩余压缩强度进行预测,仿真结果与试验结果对比验证了有限元模型的有效性。     

三维间隔织物轻质复合材料的力学性能

将3D间隔织物与轻质聚氨酯相结合,制备出3D经编间隔织物复合材料。对不同基体密度与增强体规格的3D间隔织物复合材料进行三点弯曲测试,研究其结构参数对力与位移曲线的影响;并对其抗冲击性能进行评价,获取影响复合材料冲击防护性能的因素。结果表明：基体密度对三维间隔织物复合材料力学性能的影响十分显著,基体密度越大,3D经编间隔织物复合材料的弯曲应力和弯曲强度越大,抗弯曲能力也越强,而可塑性越差,柔韧性越差;冲击吸收的冲击力逐渐减少,导致复合材料的抗冲击恢复性越差。     

三维夹芯复合材料冲击损伤后弯曲性能研究

采用手糊成型工艺将环氧树脂与三维机织夹芯织物及玻纤平纹织物复合,制成三维夹芯复合材料,并采用不同的冲击高度对其进行低速冲击试验。利用Instron 5969H型万能材料试验机对经过低速冲击试验的三维夹芯复合材料的弯曲性能进行测试,分析冲击高度对三维夹芯复合材料弯曲性能的影响。结果表明:同种三维夹芯复合材料的弯曲性能与冲击高度呈负相关;相同冲击高度下,同种三维夹芯复合材料的经向剩余弯曲强度明显低于其纬向剩余弯曲强度。     

三维夹芯复合材料低速冲击性能有限元法研究

借助有限元软件ANSYS建立了三维夹芯复合材料细观结构模型,重点研究了在低速冲击载荷作用下材料、纤维和树脂的应力、应变分布,并分析了树脂种类对材料抗低速冲击性能的影响。结果表明,在低速冲击载荷下,从宏观角度来看,冲击点处、芯材圆弧中心处应力较大,最易发生破坏,而下面板边缘处应力最小,不易被损坏;从细观角度来看,纤维是承载的主体,树脂起次要作用;环氧树脂基复合材料抗低速冲击性能更优。     

亚麻增强聚丙烯复合材料薄板的冲击性能

以亚麻纤维为增强体,与聚丙烯(PP)树脂长丝进行丝束级混合,形成PP包覆亚麻的纱线结构,利用机织工艺织成二维机织布,作为复合材料的预制件。采用层合热压的方法制备亚麻/PP复合材料薄板。通过对板材冲击性能的测试以及破坏形貌的分析,研究了亚麻/PP薄板的冲击破坏机制以及影响板材冲击性能的因素。结果表明:斜纹组织板材的冲击性能优于相同制备工艺的平纹组织板材;树脂、纤维、铺层数、冲击速度等因素对板材的冲击性能均有影响。     

玻纤/涤纶混杂3D整体机织蜂窝结构复合材料的冲击性能

为研究玻纤/涤纶混杂纤维复合材料中涤纶含量对复合材料低速冲击性能的影响,设计了7种混杂纱线,并在改进后的普通织机上织造,同时采用真空辅助成型工艺制成混杂纤维复合材料板材。探讨了多种纤维混杂后纤维体积含量的计算方法,对混杂纤维增强复合材料冲击后断裂情况及能量吸收性能进行研究。结果表明,混入涤纶后复合材料会产生明显的混杂效应,经预测当涤纶含量约为55.69%时,复合材料能量吸收性能最好,在节省成本的情况下达到了最优。     

不同芯材高度三维夹芯复合材料抗低速冲击响应的数值模拟

为研究三维夹芯复合材料低速冲击力学响应及损伤机制,借助ANSYS有限元软件,建立不同芯材高度的三维夹芯复合材料细观结构模型进行低速冲击响应模拟,并将模拟值与实验值进行对比分析。结果表明:从宏观角度分析,三维夹芯复合材料抗低速冲击性能随着芯材高度的增加而增加,在上面板均已损坏的情况下,芯材高度为5 mm的材料芯材破坏情况更严重,模拟结果与实验结果具有较好的一致性;从细观角度分析,材料中的经纱、纬纱、接结经纱是承载的主体,树脂基体起次要作用;在5 J能量冲击作用下,材料的破坏模式主要是树脂形变、碎裂,纤维与树脂脱黏。     

芳纶织物及其包容环的弹道冲击与数值模拟

为研究芳纶织物及其包容环的弹道冲击机制,通过准静态及动态拉伸实验获取材料力学性能,采用弹道冲击实验获得织物及包容环的冲击性能,同时建立多层壳模型并基于实验结果进行验证。结果表明:应变率对织物力学性能有较为显著的影响,在织物弹道冲击中织物吸能量与失效模式相关,呈现明显的边界效应;在包容环弹道冲击中,能量的耗散主要是通过纱线应变能、纱线断裂以及纱线间相互作用;相同入射速度下,织物层数越少,吸能量越少,织物层数增加时吸能量增大,但吸能增加量减小;多层壳模型能够较好地复现弹道冲击过程,仿真失效形貌、弹体剩余速度和吸能比率均与实验结果接近。     

考虑偏轴角影响的2.5D机织复合材料冲击后压缩性能

2.5D机织复合材料作为一种各向异性材料,其冲击后压缩性能亦表现出显著的各向异性特征.为了探究偏轴角对2.5D机织复合材料冲击后剩余力学性能的影响,课题组进行了低速冲击和压缩试验,并借助超声C扫描技术等检测手段,对比了2.5D机织复合材料受不同能量冲击后沿0°及45°方向的压缩性能.对材料在冲击后压缩试验中的力学响应特...     

剪切增稠液/纤维复合材料防弹性能的研究进展

为促进对剪切增稠液(STF)与高性能纤维复合形成具有高效力学响应和能量吸收机制的智能抗冲击防护材料的性能研究和应用,综述了STF流变性能、STF/纤维复合材料力学性能及其抗弹道冲击机制的研究进展,分析了STF原料选择、复合材料体系构建原理及制备方法.针对STF/纤维复合材料的弹道冲击过程和特点及其在高速冲击下的反应机制...     

碳纤维/聚丙烯/聚乳酸增强复合材料的力学性能

为在不改变碳纤维/聚丙烯(PP)复合材料力学性能前提下,降低复合材料中PP含量以减轻环境降解压力,通过在碳纤维/PP复合材料树脂体系中掺杂可降解的聚乳酸(PLA)形成共混树脂体系,并经热压成型制备碳纤维增强共混树脂复合材料。探究了PLA、PP共混体系质量比对复合材料冲击、弯曲和拉伸性能的影响。结果表明:随着树脂体系中PLA质量分数的增加,复合材料的冲击强度和弯曲强度都呈先降低后升高、再降低的趋势,拉伸强度呈现先升高后降低的趋势;当PLA质量分数为60%时,复合材料的冲击强度和弯曲强度最高,分别为21.8 k J/m²和112.5 MPa,拉伸强度为37.2 MPa,复合材料的综合物理力学性能最优,与未添加PLA的复合材料的力学性能相近。