纤维增强树脂基复合材料防弹性能影响因素及破坏机制

以超高分子量聚乙烯(Ultra High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维、S-玻璃纤维、芳纶1414纤维和杂环芳纶纤维增强聚烯烃(Polyolefin,PO)和水性聚氨酯(Waterborne Polyurethane,WPU)树脂,采用热压工艺制备正交单向无纬(UD)结构复合材料装甲板;通过装甲板弹道极限速度测试,研究了纤维增强树脂基复合材料装甲板防弹性能的影响因素;通过体视显微镜观察装甲板侵彻破坏形貌,分析了纤维增强树脂基复合材料的破坏机制。结果表明:UHMWPE纤维增强PO树脂基复合材料的防弹性能与UHMWPE纤维的强度和模量呈正相关,但纤维模量对复合材料防弹性能的影响随着纤维模量的增大而逐渐变弱;在WPU树脂体系下,四种纤维的防弹性能由高到低依次是UHMWPE纤维、杂环芳纶纤维、芳纶1414纤维、S-玻璃纤维;纤维增强树脂基复合材料装甲板中纤维破坏方式有迎弹面纤维被剪切冲塞、中部被纤维拉伸变形后剪切、背弹面纤维被拉伸断裂,中部纤维拉伸变形是消耗子弹动能的主要方式。     

超高分子量聚乙烯纤维的液相氧化改性及其环氧树脂基复合材料的力学和摩擦性能

为增强超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与环氧树脂(EP)基体之间的界面粘结强度,采用重铬酸钾溶液对UHMWPE纤维进行表面改性并制备UHMWPE纤维/EP复合材料。结果表明,UHMWPE纤维经液相氧化后表面刻蚀痕迹明显,表面粗糙度明显增加,结晶度增加了11.3%,与乙二醇的接触角减小了14.12°。与纯环氧树脂相比,纤维含量为0.4%的未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低18.04%,纤维含量为0.6%的液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的拉伸强度降低51.55%,未改性UHMWPE(纤维含量0.5%)和液相氧化改性UHMWPE(纤维含量0.4%)纤维/EP复合材料的冲击强度分别提升了3.29%和4.39%。当纤维含量为0.3%时,液相氧化改性UHMWPE纤维/EP复合材料的弯曲强度比纯环氧树脂增加6.55%,比未改性UHMWPE纤维/EP复合材料增加19%。当纤维含量由0增大到0.5%时,改性和未改性UHMWPE纤维/EP复合材料的摩擦系数先增加后减小。     

表面改性和混杂对超高分子量聚乙烯纤维/环氧树脂复合材料性能的影响

采用紫外接枝和与芳纶纤维混杂的方式改善UHMWPE纤维的缺点,详细研究了接枝单体种类、浓度和纤维混杂等对UHMWPE纤维/环氧树脂复合材料性能的影响。结果表明,以丙酮为溶剂采用一步接枝法在紫外光辐射下将丙烯酸接枝到UHMWPE纤维表面上,可显著提高UHMWPE纤维增强的复合材料的弯曲强度、冲击强度和拉伸强度;随着接枝单体浓度的提高弯曲强度和冲击强度没有明显的变化,而拉伸强度不断提高。同时,将UHMWPE纤维与芳纶纤维混杂可提高其与树脂基体生成的复合材料的耐热性。UHMWPE纤维与芳纶纤维按1∶1的质量比混杂,混杂纤维增强的复合材料在90℃的形变量比UHMWPE纤维增强的复合材料减少66.7%,显著提高了复合材料的耐热性。     

CaCl1和多巴胺处理对芳纶纤维表面结构与性能的影响

采用氯化钙(CaCl2)乙醇溶液和多巴胺水溶液浸渍法对芳纶纤维表面进行改性处理,对改性后芳纶纤维表面的化学结构、微观形貌、表面粗糙度、单丝拉伸强度和芳纶纤维/环氧树脂复合材料的界面性能等进行了测试分析.结果表明,采用CaCl2乙醇溶液处理芳纶纤维后,芳纶纤维表面有刻蚀出的沟槽,表面粗糙度增大,芳纶纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度明显提高,同时由于纤维结构受到破坏,单丝拉伸强度下降了11.12％;采用多巴胺水溶液处理时,芳纶纤维表面沉积了聚多巴胺涂层,表面粗糙度增大,芳纶纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度进一步提高,纤维结构几乎不受影响,单丝拉伸强度降幅较小;采用CaCl2乙醇溶液和多巴胺水溶液先后处理芳纶纤维后,纤维表面的聚多巴胺涂层更致密,复合材料的层间剪切强度达到最大值,同时改性后的纤维具有一定的抗紫外性能,此方法改性效果最优.     

混杂比对碳/芳纶纤维混杂纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料力学性能的影响

利用层内混杂的方式制备碳/芳纶纤维混杂纬编双轴向多层衬纱织物,通过对材料进行拉伸、三点弯曲等实验研究该织物增强复合材料的力学性能及混杂比对其力学性能的影响。结果表明,按照一定的混杂比加入芳纶纤维后复合材料的拉伸性能提高,表现出积极的混杂效应。由于延伸性好的芳纶纤维的加入,使复合材料的拉伸断裂伸长率明显提高,材料破坏模式出现了完全脆性断裂模式(C12材料破坏形式)和“扫帚”形纤维断裂模式(C8A4,C6A6材料破坏形式)。此外,按照一定的混杂比加入芳纶纤维也有效改善了碳纤维增强复合材料的破坏韧性,碳/芳纶纤维混杂MBWK织物增强复合材料的弯曲强度和弯曲模量随混杂比的提高而呈下降趋势,当复合材料中芳纶含量从42%(体积分数,下同)(C6A6)到59.2%(C4A8)的变化过程中,弯曲强度和弯曲模量的降低率较高。0°试样在混杂比为59.2%(C4A8)时,弯曲挠度最大,达到7.49 mm,远高于纯芳纶纤维或纯碳纤维增强的复合材料。所有90°混杂复合材料试样的弯曲挠度均高于纯芳纶纤维或纯碳纤维增强的复合材料,表现出积极的混杂效应。     

LiCl处理对芳纶纤维表面结构与性能的影响

为提高芳纶纤维与复合材料基体间的界面强度,首先,使用LiCl乙醇溶液处理芳纶纤维一定时间;然后,对LiCl处理芳纶纤维表面的化学组成、微观形貌、单丝拉伸强度及芳纶纤维/环氧树脂复合材料的界面性能等进行了测试分析。结果表明:使用LiCl乙醇溶液处理芳纶纤维后,芳纶纤维表面的含氮官能团含量增加;处理后,芳纶纤维表面有刻蚀出的沟槽,表面粗糙度增大,进而改善了芳纶纤维与环氧树脂基体的界面粘接性能,使芳纶纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度由处理前的21.75 MPa提升到37.98 MPa;最佳处理时间为3~4 h,而处理时间过长会导致芳纶纤维的单丝拉伸强度及复合材料的层间剪切强度下降。所得结论证实使用LiCl处理芳纶纤维是一种有效的表面改性方法。      

碳纤维与芳纶纤维增强环氧树脂复合材料的动态力学性能

分别使用高速拉伸试验机和霍普金森拉杆装置对碳纤维、芳纶纤维增强环氧树脂平纹复合材料的动态力学性能进行测试。结果表明：在拉伸过程中，碳纤维和芳纶纤维呈脆性断裂特征，两种材料的弹性模量几乎不受应变率的影响，抗拉强度随着应变率的增加而升高，且与应变率的对数呈线性关系。     

太阳辐照对芳纶纤维及其复合材料性能的影响

选择K49和F-Ⅲ两种芳纶纤维及其5224A环氧树脂基复合材料为研究对象,以单丝拉伸强度、FTIR、DSC、SEM、复合材料力学性能和介电性能作为表征手段,研究太阳辐照对芳纶纤维的结构性能以及芳纶/环氧复合材料的结构透波性能的影响作用。结果表明:K49在辐照过程中表现出显著的自我屏蔽效应,400h的强度保持率为82%,F-Ⅲ未观察到明显的自我屏蔽效应,强度保持率为50%。辐照前后的FTIR,XPS,DSC,SEM结果证明纤维表层出现了降解,氢键破坏与结晶度下降是引起纤维性能下降的主要原因。太阳辐照前后复合材料的性能测试结果证明辐照对材料的性能无明显影响,辐照后复合材料的弯曲、层间剪切和介电性能基本无变化,拉伸强度略有升高,压缩强度轻微下降,K49/5224A的压缩强度下降了11.8%,F-Ⅲ/5224A的压缩强度下降了6.6%,这主要是由于太阳辐照老化仅引起复合材料表面树脂基体轻微降解所造成的。     

芳纶纤维表面分析及其对双马来酰亚胺树脂复合材料界面性能的影响

采用反气相色谱和扫描电子显微镜测试分析了芳纶纤维的表面性能,结果发现K1和K2两种芳纶纤维的表面均比较光滑,总表面能基本相当,但极性表面能和色散表面能分量存在较大差异。层间剪切强度测试表明K2/5405复合材料的界面强度高于K1/5405复合材料,断口形貌分别呈现出不同的基体破坏和界面破坏模式。利用Good-Girifalco相互作用参数分析纤维和树脂的表面能与复合材料界面性能的关系,结果发现复合材料中两相间的相互作用参数增大,匹配性提高,界面性能亦有所提高。     

芳纶纤维／环氧树脂微复合材料的界面断裂

本文采用空气冷等离子体改性Ｋｅｖｌａｒ－４９表面。通过单丝拔出实验研究表明经过纤维表面改性改善了芳纶纤维／环氧树脂的界面结合情况；芳纶纤维／环氧树脂微复合材料￣ａ）的破坏有两种类型：破坏发生在界面和纤维的内聚破坏。     

混杂纤维增强水泥基复合材料的力学性能

研究了化学改性聚丙烯（PP）纤维以及掺加聚丙烯纤维和芳纶纤维混杂比例和混杂效应对水泥基复合材料力学性能的影响,并构建了纤维增强水泥砂浆界面层的物理模型,描述了纤维对水泥砂浆的增强机制。实验表明,聚丙烯纤维经改性后使水泥砂浆前期抗折强度明显提高,聚丙烯纤维和芳纶纤维的混杂使水泥砂浆的后期抗折强度显著提高。改性聚丙烯纤维掺加体积分数为0.56%,芳纶纤维的体积分数为0.24%时,混杂纤维增强水泥砂浆试样较空白试样,3天、28天抗折强度分别提高了18.48%、31.17%,3天、28天抗压强度分别提高了7.16%、5.19%。     

高性能有机纤维单丝复合体系界面粘结性能实验研究

采用单丝复合体系多次断裂法,通过对纤维单丝断点数的统计及其断点形貌的分析,考察了PBO纤维、芳纶Twaron纤维、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)3种高性能有机纤维与韧性环氧基体的界面剪切强度;并对比考察了界面剪切强度与对应复合材料单向板层间剪切强度之间的关系;结合XPS、SEM等手段分析了有机纤维表面物理化学特性对界面剪切强度的影响。结果表明,Twaron/环氧的界面剪切强度高于PBO/环氧,UHMWPE/环氧的界面粘结弱,该方法不能测试;上述体系界面剪切强度与对应的复合材料单向板层间剪切强度变化趋势是一致的;表面化学活性高的纤维对应的界面剪切强度高。     

Statistical Tensile Strength for High Strain Rate of Aramid and UHMWPE Fibers

Technora,madefromaramidfibersandsome whatsimilartothecommonlyknowKevlar,and Ultrahighlyorientedhighmolecularweightpolyeth ylene UHMWPEfibersarealloftenusedinflexible armourapplicationsandhencesubjectedtohighrates ofloading.Theutilizationoftheirreinforcedcom positesarmourincertainballisticapplicationsisin creasinglypreferredoverconventionalrigidmetalar moursystemsbecauseofitssuperiorstrength to weightratioandflexibility.Todate,thedesignand developmentofsuchfabricarmoursystemshave largelybeen…     

短切芳纶纤维/聚硅氧烷-甲基丙烯酸锌复合材料的结构与性能

为提高聚硅氧烷-甲基丙烯酸锌(ZDMA)树脂材料的性能,采用短切通用型芳纶纤维与聚甲基乙烯基硅氧烷-ZDMA复合并在高温下交联固化,得到短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料。采用SEM、FTIR、拉伸和压缩试验方法、霍普金斯压杆试验方法,表征了短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料的结构和静态力学性能,研究了芳纶纤维用量和应变率对其动态压缩性能的影响。结果表明,短切芳纶纤维对胶料的流动性影响较大,短纤维分散不易均匀,整体均匀性不佳,用量较大时易于团聚,力学性能存在波动性。短切芳纶纤维的加入对提高短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料拉伸强度效果明显,但伸长率大幅减小,对压缩应力提高较大。在低应变率下(800 s?1),芳纶纤维用量对短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料动态压缩性能影响不大;在中高应变率(1500~2500 s?1)下,随着芳纶纤维用量的增加,短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料动态压缩应力增大。无芳纶的聚硅氧烷-ZDMA复合材料的动态压缩性能对应变率较为敏感,短切芳纶纤维与高聚硅氧烷质量比为8%的短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料在中高应变率(1500~3000 s?1)下的动态压缩性能较为稳定。      

Tensile,impact and dielectric properties of three dimensional orthogonal aramid/glass fiber hybrid composites

Aramid/glass hybrid composites with three different stacking sequences and their corresponding single fiber type composites have been fabricated and their tensile, impact and dielectric properties were investigated. The trend of tensile strength and modulus of the composites followed the rule of mixture (ROM) closely and a small but positive hybrid effect for tensile strength of the hybrid composites was observed. The hybrid composites in general had a higher impact resistance than the single fiber type composites and the hybrid composite in which fiber volume fractions for glass and aramid fiber were the most balanced showed the highest impact ductility. The aramid fiber composite showed a lower dielectric constant and a higher dielectric loss than the glass fiber composites. However, the dielectric constant of the hybrid composites decreased first and then increased as the volume fraction of aramid fiber increased, which did not follow the mixing rule for dielectric constants of compounds. The dielectric loss of the composites increased monotonically as the volume fraction of aramid fiber increased which agreed well with the mixing rule.     

超高分子量聚乙烯纤维复合表面改性及其橡胶基复合材料的力学性能

针对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维与基体之间界面结合强度低的问题,采用超声波结合铬酸溶液氧化的复合工艺对UHMWPE纤维进行表面处理,并将处理后的纤维加入到天然橡胶(NR)中制备短切UHMWPE纤维/NR复合材料。结果表明:复合改性工艺可有效增加纤维表面粗糙度及表面含氧官能团含量,最佳改性工艺条件为:按照重铬酸钾、水及浓硫酸的质量比7∶12∶150配置铬酸溶液,将含有一定质量UHMWPE纤维的铬酸溶液放入35℃的超声波清洗仪中氧化5min,其中超声波频率为100kHz。与纯NR样品相比,在UHMWPE纤维与NR的质量比为0~6∶100范围内,随着处理后短纤维含量的增加,复合材料的拉伸强度逐渐减小,最大损失量达到50%;复合材料的硬度不断增大,最大增加量达到96%;复合材料的撕裂强度先增大后减小,在UHMWPE纤维与NR的质量比为5∶100时达到最大值,最大增加量达到49%。     

Proposed classification of HPFRC composites based on their tensile response

The tensile response of fiber reinforced cement (FRC) composites can be generally classified in two distinct categories depending on their behavior after first cracking, namely, either strain-hardening or strain-softening. Within the strain-softening category, one can distinguish between deflection-hardening and deflection-softening behavior. Several standard tests (ASTM, JCI, RILEM) are available to assess the characteristics of mostly strain-softening FRC composites through bending tests, but no standard test is currently available to characterize strain-hardening response in tension. Such composites have been described as high performance FRC or HPFRC composites. In this paper a proposal is put forth to characterize the response of strain-hardening FRC composites based on the results of direct tensile tests. The classification is based on several parameters which include a minimum value of elastic modulus, a minimum value of peak strain after first cracking, and the tensile strength level. While one of the key obstacles remains, that is, to develop a realistic and meaningful tensile test standard, some requirements on minimum specimen size, fiber size and aggregate size are also suggested.     

UD75防弹板工艺参数与弹道性能的初步研究

分析了不同温度对组成Dyneema纤维增强复合材料的超高分子量聚乙烯纤维丝束拉伸强度的影响。并对UD75防弹复合材料在不同成型压力下的弹道吸能进行了研究。在对成型压力影响的研究中,对UD75复合材料的层间结合力、厚度和体密度进行了分析。结果表明,温度超过123 ℃后拉伸强度有大幅的下降,而成型压力为12.5 MPa时达到最大值。其研究结果对防弹复合材料的合理制备和优化设计提供了很好的参考依据。