随机植物短纤维复合材料界面性能对有效模量和拉伸行为的影响

研究了界面性能对随机短云杉纤维增强聚丙烯(PP)复合材料宏观拉伸性能的影响。采用双线性内聚力模型(CZM)描述随机短云杉纤维和PP基体间非理想界面的力学行为,建立了含非理想界面的随机短纤维增强复合材料代表性单元(RVE)的二维有限元模型,考虑了纤维含量、长细比、随机分布和随机各向异性弹性以及PP基体弹塑性的影响;模拟了不同纤维含量复合材料的实验拉伸应力应变曲线。结果表明,短云杉纤维/PP基体间非理想界面刚度与复合材料有效弹性模量之间有单调递增的曲线关系,即E-K曲线;同一复合材料不同纤维含量的E-K曲线簇有一个临界交点。在交点右侧强界面刚度区复合材料有效模量随着纤维含量的增加而提高,在交点左侧弱界面刚度区有效模量随着纤维含量的增加而减少。三种不同体积含量10%、20%和49%的云杉/PP复合材料的非理想界面刚度可用E-K曲线和实验测得的宏观有效弹性模量确定,云杉/PP界面初始破坏位移和界面完全破坏位移也可根据模拟拉伸应力应变曲线确定。数值分析结果能用非理想界面刚度来解释和理解随机短植物纤维体积含量对复合材料宏观有效模量的影响。     

基于内聚力模型的形状记忆合金短纤维增强树脂基复合材料的模拟分析

通过单纤维拔出实验和单轴拉伸实验, 测定了形状记忆合金(SMA)增强树脂基复合材料的界面脱粘剪切强度和单向随机分布SMA短纤维增强复合材料的拉伸强度。根据蒙特卡罗法和边界条件控制方程, 编写了适于软件调用的单向随机分布短纤维增强复合材料的APDL语言生成程序, 建立数值模拟模型。基于指数型内聚力模型, 对SMA纤维与环氧树脂基体界面分离(即界面脱粘)过程进行了有限元模拟。结果表明: 相同纤维体积分数下, 随着纤维长细比的减小, 复合材料整体弹性模量逐渐降低; 温度驱使SMA纤维弹性模量发生变化, 可以有效提高复合材料整体弹性模量。     

偶联剂处理SiC纤维增强PTFE复合材料的性能

用共混冷压成型法制备了SiC短纤维(未处理和偶联剂表面处理)增强聚四氟乙烯(PTFE)复合材料,测试了复合材料的力学和摩擦磨损性能,研究了表面处理对PTFE复合材料性能的影响,用扫描电子显微镜(SEM)对拉伸断面形貌进行观察,探讨了纤维增强复合材料的机理。研究结果表明:偶联剂处理SiC纤维表面后,复合材料的拉伸强度、冲击强度、减摩耐磨性能均比未处理的有所提高。拉伸断面的SEM分析表明,未处理SiC纤维与PTFE的界面黏结较差,界面出现了许多空隙,偶联剂处理后,SiC纤维与PTFE界面黏结较好,在拉伸过程中多数SiC纤维被基体牢固黏附而难以拔出。     

短纤维增强金属基复合材料基体中的应力分布及其变形特征

基体行为是影响随机分布短纤维增强金属基复合材料力学性能的一个重要因素。本文作者将在短纤维复合材料单纤维三维模型的基础上, 借助于弹塑性有限元分析方法, 研究在加载过程中, 不同纤维位向和界面结合状态下基体中的应力分布情况及基体的变形特征。研究表明, 该类复合材料中基体的应力分布情况和变形特征将受到纤维位向改变和界面结合强弱的显著影响。      

短纤维增强聚丙烯泡沫复合材料的研究新进展

详细介绍了天然纤维、短玻璃纤维、碳纳米纤维及晶须等在增强PP泡沫复合材料中的应用;重点阐述了短纤维的种类和含量对发泡行为、微观结构及力学性能等的影响规律,并总结了相关增强机理;展望了短纤维/PP泡沫复合材料的发展趋势。     

针刺层间增强非织造防刺包装材料的机械及防刺性能研究

为开发出低成本柔软且防刺性能良好的包装材料,选用芳纶、尼龙6(PA6)和聚丙烯(PP)短纤维通过层间增强方式构建由表层为PP/PA6/芳纶、中间层为PA6和底层为PP/PA6非织布组成的非织造三明治防刺叠层材料。探讨了改变表层芳纶纤维含量对三明治非织造叠层包装复合材料的拉伸性能、防刀刺和防锥刺性能的影响。结果表明:非织造包装复合材料的拉伸性能、防刀刺及防锥刺性能随表层芳纶含量的增加而呈线性增加;当芳纶含量为15%(质量分数)时,非织布基布具有最大拉伸载荷、防刀刺和防锥刺载荷,分别为209.24、83.52和126.85N。刀刺与锥刺的防刺机理不同,刀刺为纤维排挤和断裂,锥刺为纤维排挤。     

δ-Al2O3/Al合金基复合材料拉伸行为的分析和模拟

本文以δ-Al2O3/Al合金基复合材料为研究对象,在细观层次上建立分析模型,采用三维弹塑性有限元分析方法,对它的拉伸行为进行了较为详细的描述。研究涉及该类复合材料加载初期的应力-应变曲线的模拟和各种微结构特征的变化对应力应变行为的影响。同时考虑了纤维位向变化的影响,并引入了实际测得的短纤维位向分布规律,对随机分布短纤维复合材料的力学行为进行了模拟。研究表明,基体性能、纤维长径比和体积分数、纤维位向以及界面结合对δ-Al2O3/Al合金基复合材料的拉伸行为均有较大的影响;本文所采用的有限元分析方法对该类复合材料加载初期的应力-应变曲线的预测也是较为准确的。     

-Al_2O_3/Al合金基复合材料拉伸行为的分析和模拟

本文以-Al2O3Al合金基复合材料为研究对象,在细观层次上建立分析模型,采用三维弹塑性有限元分析方法,对它的拉伸行为进行了较为详细的描述。研究涉及该类复合材料加载初期的应力-应变曲线的模拟和各种微结构特征的变化对应力应变行为的影响。同时考虑了纤维位向变化的影响,并引入了实际测得的短纤维位向分布规律,对随机分布短纤维复合材料的力学行为进行了模拟。研究表明,基体性能、纤维长径比和体积分数、纤维位向以及界面结合对-Al2O3Al合金基复合材料的拉伸行为均有较大的影响;本文所采用的有限元分析方法对该类复合材料加载初期的应力-应变曲线的预测也是较为准确的。     

芳纶短纤维增强天然橡胶耐磨材料的研究

利用芳纶短纤维增强天然橡胶耐磨材料,研究了纤维含量、长度和纤维粘合处理、混炼工艺等因素对短纤维复合材料性能的影响及芳纶浆粕和短纤维增强复合材料的热老化性能。实验发现,在开炼机上将芳纶短纤维直接加入母校炼校的混炼工艺和芳纶长复丝活化、浸ＲＦＬ后再短切的纤维处理方法可以实现纤维的较好分散和粘合。性能测试结果表明,芳纶短纤维使复合材料具有性能各向异性和更大的拉伸模量、硬度,更好的热老化性、耐溶剂性和纤维     

纤维含量对黄麻纤维增强树脂基复合材料力学与热性能的影响

为研发低碳、节能、性能优异的麻纤维增强树脂绿色复合材料并扩展其应用领域,本文采用团队发明的氨基硅油乳液对黄麻纤维(JF)进行表面改性,运用开炼-注塑成型复合工艺研制了纤维含量为10wt%～25wt%的改性黄麻纤维增强聚丙烯(JF/PP)新型复合材料,系统全面地研究了改性麻纤维含量对JF/PP复合材料力学性能、结晶行为、耐热性能(热变形温度)及热尺寸稳定性(线膨胀系数)的影响规律及相关作用机制,并采用接触角测试分析与SEM技术分析了复合材料界面相容性与结合状态。结果表明：氨基硅油乳液改性JF,增强了JF与PP基体的界面结合力。随着纤维含量的增加,JF/PP复合材料的拉伸和弯曲强度逐渐增加,而冲击强度则有所降低。DSC、热变形温度和线膨胀系数测试分析表明,添加改性JF能够促进PP异相成核,并限制PP分子链的运动能力,从而提高JF/PP复合材料的耐热性能,且随着纤维含量增加,耐热性能呈不断上升趋势。当改性JF含量为25wt%时,JF/PP复合材料的热变形温度为142.5℃,较纯PP提高了53.5%。同时,复合材料平均线膨胀系数随纤维含量增加而明显降低,表明复合材料的热尺寸稳定性显著提高。相比...     

硅烷偶联剂处理对 SF/PP结构和性能的影响

采用熔融共混和注塑成型的方法制备了硅烷偶联剂处理的剑麻短纤维(SF)增强聚丙烯(PP)的复合材料,研究了SF表面偶联剂处理对复合材料的晶形结构、微观结构、热性能及力学性能的影响.结果表明硅烷处理削弱了SF在PP结晶过程中的异相成核作用,降低了SF/PP复合材料中PP相的结晶度、结晶温度和结晶速率;提高了复合材料中β-晶型PP的相对含量;增强了SF/PP的界面键合,显著提高了复合材料的冲击强度.     

随机短纤维增强复合材料弹性模量预测模型

为了研究纤维增强复合材料的力学性能, 借助混合率构造的Reuss-Voigt模型以及三维纤维取向简化模型, 建立了随机短纤维复合材料弹性模量预测模型。利用该模型对玻璃纤维增强尼龙6(PA6)复合材料进行弹性模量预测, 其预测结果与拉伸实验结果误差值小于5%, 表明该预测模型具有较好的准确性。     

颗粒增强复合材料非理想界面刚度和有效模量的理论估计

采用内聚力模型(CZM)描述颗粒增强复合材料(PRCs)颗粒/基体非理想界面的力学行为,采用细观力学的Mori-Tanaka(M-T)方法和稀释解方法研究非理想界面刚度对该复合材料有效模量的影响。结果表明:复合材料某一体积含量下的有效模量和其颗粒/基体非理想界面刚度之间存在单调递增的关系曲线。同一复合材料不同体积含量的有效模量和非理想界面刚度关系曲线存在一个临界交点(CP),该点对应的临界界面刚度控制着颗粒体积分数对有效模量的影响。研究了基体和增强相的力学性能以及增强颗粒的尺寸对CP点临界界面刚度的影响。采用有效模量-界面刚度关系曲线,结合实验测得的有效模量,提出了估算PRCs的非理想界面刚度的方法,进而估计了复合材料的宏观有效模量。      

短玻璃纤维/硅橡胶发泡复合材料的制备及表征

表面改性的短玻璃纤维和硅橡胶共混发泡制备出短玻璃纤维/硅橡胶发泡复合材料,对其力学性能、热性能和结构进行测试。结果表明:当加入长为6mm的短纤维3g(7.5份)时,复合材料的拉伸强度增加155%,达到0.78MPa。沿着纤维取向上的拉伸强度相对于垂直纤维横向增加130%,断后伸长率增加790%;热稳定性提高;结构测试表明复合材料的泡孔孔径平均为0.3mm,呈闭孔且分布稀少,泡孔绕纤维生成;扫描电镜(SEM)显示处理后的纤维与硅橡胶界面处相容性提高。     

压力作用下横向短纤维与基体间应力传递机理研究

在短纤维增强复合材料的研究中，弄清界面应力传递机理对于认识短纤维的增强机理及短纤维复合材料的力学性能是十分重要的。但传统的观点认为，在钢纤维混凝土中纤维对混凝土抗压强度的增强作用甚微，故对压力下纤维与基体界面应力传递没有进行过研究。作者最近的试验研究与近年来的研究［１，３］均表明，中、高含量短钢纤维对混凝土的立方体抗压强度有大幅度提高。基于这一新的试验事实，作者在本文中对压力作用下横向短纤维与基体之间界面的应力传递进行了理论分析，得出了短纤维端部附近的应力分布     

短纤维橡胶复合材料强度的理论研究I 纵向拉伸强度的理论预测

首次在较宽的纤维用量和纤维长度范围内, 研究了短纤维橡胶复合材料的拉伸强度规律, 并基于Cox 剪滞法和复合材料的结构特点, 提出了一种新的混合定律模式, 对复合材料的纵向拉伸强度进行了理论预测。结果表明, 新的模型包含结构因素较全面, 理论计算值与实验值符合较好。此外, 探讨了复合材料的拉伸破坏机理, 认为复合材料的拉伸破坏主要由界面控制, 在复合材料中存在着界面剪切应力集中和纤维拉伸应力集中之间相互竞争增长的过程, 但前者的增长制约着后者的增长。本文是短纤维橡胶复合材料强度理论预测的第一部分。      

三类典型纳米增强相对多尺度复合材料界面黏结性能影响的力学模型

实验研究表明,将纳米增强相引入纤维增强树脂复合材料界面构成多尺度复合材料,能够显著改善复合材料中纤维与基体之间的黏结性能,而且不同形态的纳米相在多尺度复合材料中发挥的增强效应有明显差异。本文基于内聚能模型探讨了三种典型形态的纳米增强相(包括高长径比碳纳米管、球状富勒烯纳米颗粒、片层状氧化石墨烯)对碳纤维与环氧树脂基体之间黏结强度的影响,建立了纳米增强相的形态和数量参数如何影响界面黏结强度的力学模型。利用纤维束复合材料横向拉伸测试方法评估了三种多尺度复合材料的界面黏结性能,通过理论预测结果与实测数据的对比验证了模型的合理性。      

苎麻针刺无纺布增强聚丙烯复合材料界面改性的研究

研究了NaOH改性处理对苎麻无纺布/PP复合材料性能的影响,分析在不同NaOH浓度和浸渍时间条件下复合材料性能的影响。对比了复合材料横、纵向拉伸强度的大小,通过SEM观察改性前后复合材料拉伸断面的变化。结果表明:NaOH改变了苎麻纤维的表面形态和结构,提高了纤维和树脂的粘结力和界面相容性。当NaOH浓度为8%时复合材料的拉伸强度达到最大,此浓度的最佳浸渍时间为30min;受到无纺布生产工艺的影响,苎麻纤维沿无纺布纵向分布较多,使得复合材料的纵向拉伸强度要高于横向;通过SEM观察可知,NaOH改性后的复合材料断面比较平整,界面相容性得到改善。     

短纤维混杂增强PP复合泡沫材料的力学性能

将助剂预混与二次挤出工艺相结合制备含短纤维预发泡粒料, 并用型内二次发泡工艺制备了短炭纤维(SCF)、 短玻璃纤维(SGF)混杂增强聚丙烯(PP)复合泡沫材料。研究了在纤维总质量分数不变时, SCF与SGF的相对含量、 增强纤维与PP的界面性能及泡沫体的表观密度对PP复合泡沫材料的发泡效果和力学性能的影响。结果表明: SGF和SCF的同时加入能够改善PP的高温熔体强度, 获得孔径较小且均一的类球形的闭孔PP泡沫体。SGF和SCF混杂增强提高了PP复合泡沫材料的强度和模量, 且增强效果高于单一纤维, 当纤维总质量分数为15%, 且SGF ∶SCF为1 ∶1时(质量比), PP复合泡沫材料的抗弯强度和抗压强度最高, 而SGF ∶SCF为3 ∶1时, PP泡沫复合材料的冲击韧性和压缩模量达到最大值 。泡沫体的表观密度对PP复合泡沫材料的冲击韧性和抗压强度影响显著, 当表观密度从0.32g/cm3增至0.45g/cm3时, 冲击韧性和抗压强度分别从4.29kJ/m2和6.57MPa 提高到17.87kJ/m2和20.57MPa。      

辉绿岩增强PVC复合材料

通过密炼、压制成型制备了辉绿岩短纤维增强聚氯乙烯复合材料,研究了辉绿岩纤维增强聚氯乙烯复合材料中辉绿岩纤维的表面处理及加入量对力学性能的影响,并用SEM对复合材料的界面及其对复合材料力学性能的影响进行了表征。结果表明:细质辉绿岩的增强效果较好,填充20wt%的细质辉绿岩使拉伸强度提高了35%,填充10wt%的细质辉绿岩使冲击强度提高了75%。