超高分子量聚乙烯无纬布准静态材料力学性能研究

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)无纬布是制作软质防弹衣的主要材料。首先通过实验研究了UHMWPE无纬布在准静态载荷下的拉伸、面内剪切和冲压式剪切特性。实验表明,UHMWPE无纬布在准静态拉伸过程中发生突然的脆性断裂,拉伸强度约为641MPa;面内剪切实验中试件的力-位移曲线呈现明显的非线性,材料在受力方向发生了塑性强化,试件的主要失效形式为基体的剪切破坏,失效后纤维夹角从90°减小到74°;设计制造了一套用于测量UHMWPE无纬布沿厚度方向剪切强度的夹具,实验得到该型无纬布的剪切强度约为168MPa。随后采用壳单元建立对应的有限元模型,对拉伸实验和冲压式剪切实验过程进行数值模拟。拉伸数值结果在最大拉力、拉伸强度和失效应变等指标上与实验结果较一致,并给出了拉伸过程中试件中的应力分布情况;冲压式剪切数值结果给出了剪切失效部位每层单元的应力变化情况。     

单向碳纤维无捻布强度和弹性模量测试方法的初探

本文把单向碳纤维无捻布和环氧树脂制成复合材料试样,测试出其拉伸破坏载荷和变形;又假设在某根无捻纱上任何地方横截面都是等横截面,每根无捻纱横截面都相同。测出碳纤维布质量和等效无捻纱的长度,由碳纤维密度得到等效无捻纱的横截面积。这种方法既简便又准确得到单向碳纤维布的强度和弹性模量。     

单向碳/玻璃纤维层内-层间混杂复合材料拉伸破坏模式研究

采用碳纤维/玻璃纤维层内混杂单向布,设计了5种不同混杂结构和5种不同混杂比的试件,研究了混杂结构、混杂比对碳纤维/玻璃纤维面内混杂复合材料0°拉伸破坏模式的影响,建立了各自的拉伸破坏模式。结果表明:1相同混杂比、不同混杂结构试件的破坏模式可归结为3类,在进行相同混杂比、不同混杂结构设计时要避免使用两半式[A3]结构;2相同混杂结构、不同混杂比试件的拉伸断裂应力和应变的变化趋势相反,其破坏模式可归结为两类。此种情况下,碳纤维/玻璃纤维混杂比控制在3∶2左右时拉伸性能较好。     

CFRP布约束H型钢部分外包混凝土柱的试验与设计方法研究

提出H型钢部分外包混凝土柱(PEC柱)结构,通过对18根PEC柱试件的轴心和偏心受压试验,研究了不同的碳纤维布粘贴层数、不同的碳纤维布粘贴间距、不同的偏心距分别对PEC柱的承载能力和破坏模式的影响。研究发现:粘贴碳纤维布的PEC柱承载力大于不粘贴碳纤维布的PEC柱;相同碳纤维布粘贴间距时,粘贴两层布比单层布的PEC柱承载力有所提高;碳纤维布粘贴间距越小,PEC柱的极限承载力越大;所有试件柱的极限承载力随偏心距的增大而降低。基于试验数据,提出承载力计算公式。     

碳纤维/聚丙烯复合材料的制备及性能研究

为了提高聚丙烯(PP)材料的拉伸性能、摩擦性能等力学性能,采用液相氧化的方法将碳纤维(CF)预处理,并将预处理后的碳纤维填充到聚丙烯中,制备CF/PP复合材料,研究其对聚丙烯材料的力学性能和摩擦性能的影响。实验结果表明:CF/PP复合材料的拉伸性能较PP材料提高、冲击性能降低、材料摩擦系数降低,在一定范围内,材料的拉伸强度与碳纤维的含量基本成正比,但当CF含量超过7.5g时纤维的增强效果变得缓慢。随着CF含量的增加CF/PP复合材料的抗冲击性能、摩擦系数明显下降。     

粘贴工艺对碳纤维布增强聚丙烯板材抗冲击性能的影响

利用碳纤维布外贴的方式增强聚丙烯板材的抗冲击性能,为制备出性良好且碳纤维布不易脱粘的复合板材,设计出了环氧树脂粘贴工艺、环氧树脂粘贴打孔工艺、PP胶粘贴工艺和混合粘贴工艺,并对不同制备工艺下的复合板材分别进行了4、8、12 J的落锤试验.结果表明:在不同冲击能量下,混合粘贴工艺的方式对聚丙烯板材的荷载的提高效率最高,同...     

聚丙烯加捻绳与编织绳拉伸力学性能对比研究

以聚丙烯加捻绳、编织绳为实验试件,通过电子万能试验机、VIC-3D非接触全场应变测试系统及数码相机得到拉伸过程的载荷位移曲线、力学参数及破断形貌,结合数值模拟对不同结构绳进行力学性能对比研究。结果表明,试验结果与数值模拟结果基本吻合;加捻绳变形、应力均匀分布,编织绳交叉编织处变形明显,应力交错分布;绳在轴向拉伸过程中轴向应力与剪应力叠加使整体结构等效应力减小;绳股外层在轴向拉伸作用下,处于单向应力状态,断口整齐;内层在轴向应力与剪应力叠加作用下,处于二向应力状态,断口毛糙。     

聚丙烯纤维增强水泥砂浆力学性能试验研究

为研究聚丙烯纤维掺入量对不同养护龄期的水泥砂浆试件变形破坏规律的影响,对水泥砂浆试件进行单轴压缩实验,同时利用数字散斑相关方法(DSCM)、扫描电子显微镜(SEM)对试件侧向变形场、断口形貌进行细观观测.结果表明:试件养护龄期相同时,抗压强度随聚丙烯纤维掺量增加呈先增加后减小趋势,在设置的变量梯度范围内,纤维最优掺量为0.5%;掺入聚丙烯纤维的试件峰后表现出明显的塑性特征,峰后广义刚度系数变化量较大;试件侧向变形场演化过程分为四个阶段:均匀阶段、成核阶段、变形局部化阶段、破坏阶段;聚丙烯纤维与水泥砂浆的粘结强度弱于砂粒与水泥的粘结强度,含聚丙烯纤维的试件在破坏形态上表现出"裂而不断"的特点.提出了含聚丙烯纤维水泥砂浆的微观胶结接触模型,模型的力学关系较好的解释了聚丙烯纤维试件峰后塑性提高的特征.     

FRP网格拉伸性能及加固水下混凝土试验研究

FRP网格以其轻质、耐腐蚀、加固效果显著,在土木工程领域具有很好的应用前景,但其传统的手糊制作工艺影响了制品的质量及性能的稳定性,限制了其工程应用。本文采用真空辅助成型工艺(VARI),研究开发了实用的FRP网格制品的制备工艺,制作了玄武岩纤维和碳纤维为增强体的两种规格FRP网格,并截取了相应的3种网格拉伸试件进行试验研究。试验结果表明,FRP网格制品的弹性模量较为稳定,极限强度与极限应变的离散性较大,随着FRP网格筋的纤维用量增加,纤维可能出现缺陷破坏的概率增大,其可获得的强度和应变能力下降,而弹性模量无显著变化;不同纤维增强体的FRP网格表现出不同的拉伸性能,玄武岩纤维网格筋的极限强度与弹性模量低于碳纤维网格筋,但极限应变要高于后者;FRP网格加固混凝土水下结构的技术效果得到了试验验证,加固试件的承载力及变形能力得到显著的提高。     

碳纤维编织复合材料损伤变形与破坏实验研究

通过对碳纤维编织复合材料的拉伸实验,利用声发射技术(Acoustic Emission,简称"AE")和数字图像相关(Digital Image Correlation,简称"DIC")方法研究碳纤维复合材料的损伤演化规律。通过采集试件在拉伸过程中的声发射信号、损伤变形与应变场信息,分析碳纤维编织复合材料的力学加载、变形场和声发射特征参数的关系。结果表明复合材料的位移场、应变场信息以及AE信号特征参数能良好地描述复合材料在拉伸状态下的损伤累积和破坏过程。在加载前期,以40~60 dB低幅度信号为主;随着载荷增加,撞击累计数急剧升高,高幅度、高持续时间信号增多。通过DIC测得的位移场和应变场信息,发现对于相同的载荷增量,加载方向的位移和最大拉应变呈先增加后减小的趋势。     

阳极氧化及上浆过程中PAN基碳纤维表面形态结构的演变

采用阳极氧化法对PAN基碳纤维的表面进行改性,然后使用上浆剂对纤维表面进行上浆处理。使用扫描电镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱仪等分析了处理过程中碳纤维表面形态结构的变化,研究了阳极氧化及上浆处理对碳纤维的拉伸强度及其与环氧树脂间界面剪切强度(IFSS)的影响。结果表明:阳极氧化处理后,碳纤维表面平均粗糙度从48.0 nm增大到90.5 nm,而上浆后碳纤维平均粗糙度下降到32.3nm;经阳极氧化处理后,碳纤维表面碳(C)元素含量降低,氧(O)、氮(N)元素含量增加,—OH基团含量由14.43%增加到39.32%,而上浆后纤维表面—OH基团含量变化不大;在阳极氧化过程中随着氧化程度的提高,碳纤维的拉伸强度逐渐降低,但其IFSS逐渐升高;上浆对碳纤维拉伸强度影响不大,但上浆剂中较高的活性基团使得其IFSS进一步提高。     

Effect of areal density and fiber orientation on the deformation of thermomechanical bonds in a nonwoven fabric

This study proposes a novel method to mechanically characterize the performance of individual bonds in low‐density, thermomechanically bonded nonwoven fabrics. Commercial bicomponent, polyethylene/polypropylene (PE/PP), nonwoven fabric was laser cut into bowtie‐shaped specimens for uniaxial tensile testing so that the central region of each specimen contained an individual bond. Three groups, each composed of 20 specimens, were tested with their longitudinal axes oriented along the machine direction (MD), the cross direction (CD), and at 45° between these two directions (DD). Prior to testing, the intrinsic variation in areal density and fiber orientation in the region surrounding the individual bond were quantified via orientation and relative basis weight parameters. During testing, images of the specimens were acquired to determine the occurrence of fiber breakage, bond deformation, and bond cohesive failure. Maximum force, stiffness, and orientation parameters were found to be significantly different among the three specimen groups (p < 0.01) but the relative basis weight was not (p > 0.01). The stiffness and maximum load were linearly correlated with both the areal density and fiber orientation. Pre‐existing voids or windows within the bond lowered the maximum force for specimens with the longitudinal axes aligned with the MD. These voids had no influence on the maximum force achieved by the specimens aligned with the CD and DD. The bonds in these specimens were observed to deform less than the bonds in the specimens with the longitudinal axes aligned with the MD. The results indicate the importance of the fiber structure surrounding the bond on the tensile properties, deformation and failure mode of individual bonds within the nonwoven fabric. POLYM. ENG. SCI., 59:311–322, 2019. © 2018 Society of Plastics Engineers     

镀镍碳纤维水泥基材料的电热性能研究

采用镀镍碳纤维(Ni-CF)制备导热水泥基复合材料,研究水灰比、纤维掺量和长度对水泥净浆试件升温值的影响,分析了Ni-CF掺量对水泥净浆试件电热升温和电热转化率的提升效果。结果表明:随着Ni-CF掺量的增加,试件的最大升温值呈先升高后降低的趋势,纤维掺量为0.4%(质量分数)时试件升温效果的提升最明显;当Ni-CF长度从4 mm增至8 mm时,水泥净浆试件的最大升温值逐渐降低;水灰比(W/C)为0.5时,Ni-CF水泥净浆试件通电发热的温度最高;Ni-CF提高水泥净浆试件电热转化率的效果较好,最高可达71.98%,是同配合比下碳纤维(CF)水泥净浆试件电热转化率的两倍。     

Low‐velocity impacts in continuous glass fiber/polypropylene composites

The low‐velocity impact behavior of a continuous glass fiber/polypropylene composite was investigated. Optical microscopy and ultrasonic scanning were used to determine the impact‐induced damage. At low impact energy, the predominant damage mechanism observed was matrix cracking, while at high energy the damage mechanisms observed were delamination, plastic deformation, which produced a residual specimen curvature, and a small amount of fiber breakage at the edge of the indentation on the impacted face of the specimens. The impact load vs. time signals were recorded during impact and showed that the load corresponding to the onset of delamination was independent of the impact energy in the range tested. The load at which the onset of delamination occurred corresponded to the values obtained by performing a linear regression of the delaminated area, obtained by ultrasonic scanning, as a function of the impact force. Tensile and flexural tests performed on impacted specimens showed that the tensile and flexural residual strengths and the flexural modulus decreased with increasing incident impact energy, while the post‐impact residual tensile modulus remained constant. The dynamic interlaminar fracture toughness was evaluated from the critical dynamic (impact) strain energy release rate of specimens with a delamination simulated by an embedded insert. The results are compared with the interlaminar fracture toughness values obtained during subcritical steady crack growth.     

强剪切流动下聚丙烯基复合材料介电性能和结构演变的研究

研究了多壁碳纳米管(MWCNT)、线型低密度聚乙烯(LLDPE)和强剪切流动场对聚丙烯(PP)/MWCNT/LLDPE复合材料的导电性能、结晶性能、力学性能和介电性能的研究。结果表明,PP/MWCNT复合材料随着MWCNT含量的提高,导电性能逐步改善,导电逾渗值约为1.8%,而第二分散相LLDPE的引入使复合材料的导电性能表现出了先降低后升高的现象,并且随着LLDPE含量的增加,MWCNT逐步向LLDPE内部迁移,构成了双连续结构。复合材料经过固态口模拉伸的强剪切流动场之后,随着拉伸速率从10 mm/min增加到300 mm/min的过程中,复合材料的融化温度逐渐向高温方向偏移,表现出了片层厚度增加的现象。复合材料内部分子链取向和纤维结构的形成,能够显著提高复合材料的拉伸强度和介电性能,拉伸强度提高从约50 MPa提高到了约240 MPa,提高了约380%。MWCNT和强剪切流动场的引入也使复合材料的介电常数大幅提升。     

激光改性玄武岩纤维性能研究

采用高能激光束对玄武岩纤维进行表面改性,并制备玄武岩纤维/环氧树脂复合材料。利用扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射等手段,表征改性前后玄武岩纤维的微观形态、物相结构,系统研究了激光对纤维的微观组织变化、性能等影响规律,并测试了玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的力学性能。研究结果表明,随着激光功率的增加,玄武岩纤维表面缺陷深度和缺陷面积增加。当激光功率由0 W提高至120 W时,表面缺陷最大深度由9 nm增加至180 nm,表面缺陷的分布范围由3.5~6.5 nm增加至90~120 nm,表面粗糙度由1.41 nm增加至24.70 nm。激光改性后,玄武岩纤维单丝拉伸性能降低,由于激光对纤维的辐射作用,玄武岩纤维的表面缺陷深度与拉伸强度的关系不符合经典理论。激光改性前后,玄武岩纤维XRD谱峰位基本一致,表面所含元素的种类没有发生变化。激光改性使玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的力学性能有所改善,随着激光功率的增加,复合材料的拉伸强度和冲击强度呈先升高后降低的趋势。     

高温碳化温度对碳纤维性能的影响

对经过相同预氧化、低温碳化和不同高温碳化处理的碳纤维样品进行了拉伸强度、拉伸模量、密度的分析,找出了2种原丝在经过碳化工艺处理后拉伸强度、拉伸模量、密度与高温碳化温度的相关性,并对其影响机理进行了研究。研究结果表明:在一定的温度范围内碳纤维拉伸强度随着高温碳化温度的提高而增加,在高温碳化温度达到一定值时,碳纤维拉伸强度将下降;碳纤维拉伸模量均随着高温碳化温度的提高而增加;碳纤维密度均随着高温碳化温度的提高而降低。     

聚丙烯纤维混凝土-沥青混凝土复合切口梁弯曲韧性研究

对旧沥青路面进行铣刨处理后,加铺的白色罩面层多采用纤维混凝土,为了研究聚丙烯纤维和沥青层表面凿毛处理对复合切口梁弯曲韧性的影响,采用掺加聚丙烯纤维和对沥青层表面凿毛处理的高性能混凝土-沥青混凝土(AC-13)复合切口梁进行三分点加载试验,得到了荷载与挠度、裂缝张开距离之间的关系曲线,并对复合梁的抗折强度、能量吸收值、等效抗弯拉强度进行了计算.结果表明,聚丙烯纤维与凿毛处理均能提高复合切口梁的弯曲性能,聚丙烯纤维的掺加提高了复合梁的抗折强度,每当聚丙烯纤维掺量的增加0.45时,feq1、feq2大约增加0.035 MPa,混凝土的能量吸收值也增加8%左右;凿毛处理大幅度提升了等效弯拉强度,等效弯拉强度feq1、feq2分别提升了0.05 MPa、0.03 MPa,凿毛处理对feq1的提升效果比feq2更明显,使得复合梁的能量吸收值平均提升了20%.     

Influence of Epolene G-3003 as a Coupling Agent on the Mechanical Behavior of Palm Fiber-Polypropylene Composites

ABSTRACT

Composites of palm fiber and polypropylene were compounded using a mixing equipment connected to an extruder. The composites were then injection molded into standard tensile specimens for mechanical characterization. The fracture morphology of the specimens was also analyzed by Scanning electron microscopy. It was observed that as the fiber content increases the composite modulus also increases, which is an indication for the existence of adhesion to some degree between polypropylene and the much stiffer palm fiber. However, the adhesion is not satisfactory, resulting in decrease in composite tensile strength with fiber addition. The compatibilizer Epolene G-3003 was used to minimize this incompatibility between the wood fibers and the polypropylene matrix. Utilizing Epolene G-3003 improved the fiber-matrix adhesion, resulting in a significant improvement in composite performance. The composite strength with 40 wt% fiber content and 6 wt% compatibilizer almost reached the strength of pure polypropylene.