复合材料盔壳用国产高性能纤维混杂织物结构设计

复合材料盔壳用国产高性能纤维混杂织物结构设计复合材料盔壳用国产高性能纤维混杂织物结构设计 目录第一章绪论 11 1复合材料头盔 国内外研究现状 11 2芳纶 高强聚乙烯纤维及 其复合材料的应用 21 2 1芳纶纤维及其复合材料的 应用 21 2 2高强聚乙烯纤维及其复合材料的应 用 31 3复合材料头盔壳体用增强织物研究现状 41 4混杂纤维复合材料 51 4 1混杂纤维复合材料的特点 51 4 2混杂 复合材料的评价指标 51 5课题研究的目的及意 义 一61 5 1存在的问题 61 5 2课题目的 71 5 3课题意 义 71 6课题主要研究内容 7第二章国产芳纶及高强聚乙烯纤维力学性能评价 92 1芳纶纤维力学性能评价 一92 1 1纤维束拉伸性能 一92 1 2单丝拉伸性能 122 2高强聚乙烯纤维束力学性能评价 142 2 1纤维束拉伸性能 142 2 2 结论 15第三章国产芳纶 高强 聚乙烯纤维混杂织物结构设计 173 1混杂织物单层结构 设计 173 1 1芳纶 高强聚乙烯纤维混杂织物 单层结构设计 173 1 2织造步骤 l83 2混杂织物复合材料层板的制备 193 2 1铺 层结构设计 193 2 2树脂体系 213 2 3成型工艺 213 2 4 混杂纤维复合材料层板试验件的制作 22第四章芳纶 高 强聚乙烯纤维混杂复合材料拉伸性能研究 254 1混杂复合 材料层板拉伸性能研究现状 254 2实验标准与方法 274 3实验数据的处理 284 4实验结果与分析 294 4 1不同混杂 结构的拉伸性能 294 4 2不同经纬密度的拉伸性 能 334 4 3不同混杂比的拉伸性能 364 4 4不同织物结构的拉伸性能 394 5结论 42第五章芳纶 高强聚 乙烯纤维混杂复合材料层板冲击性能研究 455 1混杂复合材 料层板冲击性能研究现状 455 2实验标准与方法 475 3实验数据的处理 48 5 4实验结果与分析 485 4 1不同混杂结 构的冲击性能 485 4 2不同经纬密度的冲击性能 515 4 3不同混杂比的冲击性能 535 4 4不同织物结构的冲击性能 555 5结 论 57第六章总结与展望 596 1主要工作总结 596 2工作展望 60参考文献 61发表论文和参加科研情况说明 65致谢 67第一章绪论 第章绪论弟一旱殖记1 1复合材料头盔国内外研究现状在军事 作 业和运动等不同领域 头盔都是重要的个人防护装备 头盔壳体 简称盔壳 是头盔获得防护功能的物质基础 为佩戴者的 头部 耳部 颈部提供防护 现代盔壳材料经历了从金属到纤维增 强复合材料的演变过程 再到混杂纤维增强复合材料的发展历程 J 为了解决金属盔壳质量重 防弹性能和隔热性能差 佩戴不舒适以 及二次破片伤人的危险 金属盔壳逐渐被轻质高强的纤维增强复合 材料所替代 2 常用于制作复合材料盔壳的纤维主要有尼龙纤维 玻璃纤维 芳纶 纤维 高强聚乙烯 Ul trahighMol ecularWei ghtPol yethylene 简称UHMWPE 等 3J 尼龙纤维复合材料盔壳适用于低速大块破片的防护 总体防弹性能 并不高玻璃纤维复合材料盔壳造价低 但较重 防弹性能差 多被 做成薄型盔壳用于航空兵头盔等防弹要求低的场合芳纶纤维复合材 料盔壳由于抗冲击性能强 吸收破片动能能力好 防弹能力优于尼 龙纤维和玻璃纤维盔壳 加之重量轻 在生命防护领域得到广泛应 用 高强聚乙烯纤维复合材料盔壳由于价格高 复合粘结技术难度 大等问题 应用受至0限常0HJ 随着科技的发展 以及对盔壳轻量化和防护性能要求的提高 复合 材料盔壳采用混杂纤维复合材料比单一纤维复合材料表现出了明显 的优越性 将高断裂伸长率的芳纶纤维和低断裂伸长率的碳纤维混杂用于制作 增强复合材料 一方面可以减轻制件的重量 另一方面可以提高材 料的比强度 比模量和冲击韧性 5 6 混杂纤维增强复合材料盔壳具有质量更轻 比强度更高 比刚度更 高等卓越的性能 通过改变增强纤维的种类和增强织物的设计 可 以改善头盔的静力学性能和抗冲击性能 7J 当前 头盔正历经着从单纯的防护装备向高度功能集成复杂系统的 升级过程 这对复合材料头盔的设计开发以及加工成型技术等提出 了更高的要划81 天津工业大学硕士学位论文1 2芳纶 高强聚乙烯纤维及其复合材 料的应用1 2 1芳纶纤维及其复合材料的应用芳纶纤维首先由美国 杜邦公司研制成功并实现工业生产 该纤维密度低 高强度高模量 耐高温耐酸碱耐大多数有机溶剂腐蚀的特性 具有减震 耐磨 耐冲击 抗疲劳 低膨胀 低导热 不燃 不熔等突出性能以及优 良的介电性能pJ 目前国际上芳纶纤维的主要生产商有美国杜邦公司 日本帝人公司 俄罗斯卡明斯克化纤股份公司和特威尔化纤股份公司和韩国科隆 公司 1 芳纶纤维优异性能在防护领域有重要应用 因此得到 防弹纤维 的称号 用其制作的芳纶纤维防弹衣和防弹头盔的防护效果十分显著 许多 国家军警的防护装备如防弹衣 防弹头盔 防刺防割服 排爆服 高强度降落伞 防弹车体 装甲板等均大量采用芳纶纤维 11I 芳纶纤维在防弹方面的应用始于1970年 最早采用杜邦公司的Kevl ar29 经过40多年的发展 杜邦公司己推出多款用于防弹或防刺的芳纶纤 维及其织物 如Kevl arl 29 Kevl arKM 2 Kevl arComfort XLT Kevl arCorrecti onal Kevl arXP等 以适用于不同用途和场合 121 帝人公司的防弹芳纶纤维从最初的Twaronl000发展到第二代TwaronH S2000 进而发展TwaronCT超细纤维 超细纤维使其拉伸强度和弹性模量增加 明显地提高了冲击阻抗 显著提高了防弹性能 芳纶头盔是多层芳纶织物经树脂黏结 高温模压成型 具有强度高 质量轻及防护性能好的特点 芳纶纤维盔壳增强织物结构的要求与防弹衣有很大不同 除了要充 分发挥芳纶纤维的增强作用外 盔壳还要求织物与树脂复合模压成 型时纤维不起皱 81 美国于1978年开始研制kevl ar纤维防弹头盔 PASGT 并与1983年开始装备部队2000年美国又研 制新型的kevl ar纤维防弹复合材料头盔 MICH 增大了防护面积 131 目前芳纶头盔己装备多国部队 如美国 俄罗斯 德国 日本 荷 兰 以色列等 Campel lDT 5 介绍了一种头盔壳体 采用层间混杂方式在头盔壳体外层采 用碳纤维 聚苯硫醚预浸料 内层采用kevl ar 聚氨酯预浸料 外层提供耐磨性 内层提供防护性能 我国芳纶纤维的研发工作开始于20世纪70年代 中科院 清华大学 东华大学 上海纺织科研所 中国石化燕山石化公司 晨光研究 院等都先后进行芳纶纤维的研制并取得小试成功 其中中科院和清 华大学率先进行了芳纶纤维的理论性研究和探讨 之后东华大学 上海纺织科研所 上海合成纤维研究所和晨光研究院等科研机构都 开展了芳纶纤维的试生产 14 当前我国对芳纶纤维的研究开发己取得很大进展 并实现产业化 具有代表性的生产厂商有河南神马集团 河北硅谷 苏州兆达特纤 和山东烟台泰和 并在不断改进生产工艺和纤维性能 第一章绪论余木火针对国产芳纶纤维力学性能分散系数大 成本 高 无法参与市场竞争的现状 提出进一步加强对芳纶纤维的纺丝 加工工艺研究和结构的认识具有重大意义 15 o我国芳纶纤维头盔 在1991年由总后军需研究所开始研制 并于1994年成功研制出GQF02 型Kevl ar纤维增强复合防弹头盔 该头盔的防护性能优于美军PASGT头盔 l6l 为了降低生产成本和原材料的国产化 xx年又成功研制QGF03头盔 王燕杰 6J设计了一种头盔壳体 增强材料采用碳 芳纶纤维混杂 根据头盔变形发生位置和小变形量要求 确定头盔在碳 芳纶 碳混杂方式下的铺层方式为 02C 904K 02C 并对头盔进行了 冲击实验 表明碳 芳纶混杂纤维复合材料的抗冲击性能和能量吸 收能力明显优于碳纤维复合材料 1 2 2高强聚乙烯纤维及其复合材料的应用UHMWPE纤维是由荷兰DS M公司采用凝胶纺丝技术制备而成 是继碳纤维 Kevl ar纤维之后的又一种高性能纤维 这是目前质量最轻 防弹性能好 最有应用价值的防弹纤维材料之一 9J 目前国际上UHMWPE纤维主要生产商包括日本的东洋纺织公司 荷兰D SM公司和美国Honeywel l公司 由于纤维在准静态条件下具有较高的模量 能形成较高的声速传播 速度 在防护弹体冲击时吸收能量和传递应力波的能力较高 因此 可以制成防弹衣 防弹头盔 装甲板等防护材料 其中以防弹衣的 应用最为引人注目 它具有轻柔的优点 而且防弹效果优于芳纶纤维 现已成为美国防 弹背心市场的主要纤维 17J UHMWPE纤维无纬布具有优异的防弹性能 国际两大无纬布生产企业 美国Honeywel l公司和荷兰DSM公司开发的产品 不同系列用于不同的防护场合防 御不同的枪弹威胁DSM公司的UD SB21 单片面密度1459 m2 适合于 制作防钢背甲手枪弹的软体防弹衣 UD HB25 单片面密度为1309 m2 适合于制作防弹头盔和车辆装甲 Honeywel l公司的Shi eld技术家族产品适于软体防弹衣 18 国际上用UHMWPE纤维增强的复合材料防弹防暴头盔质轻高强 己成 为钢盔和芳纶头盔的替代品 美国Honeywel l公司开发的Spectra纤维 用它增强的复合材料防弹头盔己大量装 备军队和特工人员 l91 我国UHMWPE纤维的研制始于1980年 中国纺织科学研究院 东华大 学 天津工业大学 总后勤部军需装备研究所和北京合成纤维研究 所等单位成为主要的研究机构 随后国内出现了浙江宁波大成 湖 南中泰和北京同益中公司 它们己初步实现了纤维的工业化生产 近些年又出现了北京特斯顿 山东爱地 高鸿等数家新的生产厂商 为UHMWPE纤维的国产化奠定了基础 2们 目前国内厂家天津工业大学硕士学位论文由于所采取的工艺条件和 设备不尽相同导致了产品质量不稳定 单机产量差距较大 尽管部 分国内生产厂家的纤维已能满足国内外的高端市场的要求 总体技 术指标已基本达到国际先进水平 但是还没有完全形成稳定的原料 生产工艺瞄1I 我国UHMWPE纤维增强的复合材料头盔 由中国人民武装警察部队科 技开发部于1997年开始研制 并于1998年相继装备各武警部酣19J 北京同益中特种纤维技术开发有限公司 22J介绍了一种头盔以UHMW PE无纬布为内层主要材料 通过一定层数的UHMWPE无纬布 根据所 需头盔的形状和大小进行裁剪 交叉整齐叠合 内外层铺覆浸渍30 35 热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维平纹织物作为加固材料 经热压成型 1 3复合材料头盔壳体用增强织物研究现状复合材料盔壳增强织物 中 一维织物结构多采用UHMWPE无纬布 23 241 二维织物结构以机织物为主 平纹及方平组织使用较多 杜邦公司 和Kol on公司分别开发了用于轻量型复合材料盔壳的Kevl arH shel l系列 ST系列和HT系列的平纹及方平织物 12 也有将针织物和机 织物混合应用 251 表1 1复合材料头盔外壳用芳纶织物参数LID布与二维织物用于复合 材料盔壳时 一般先将织物设计裁剪成特定形状 然后进行铺层 搭接 5 如图1 2所示 这种不连续 厚度不匀 易起褶皱的纤维织物层合结构导致头盔不 同部位防护性能产生差异 在经受弹片打击或者高速冲撞时极易引 起树脂基体开裂和分层破坏 虽然这会消耗一部分冲击能量 但应 力传递受阻 无法有效分散弹片冲击应力和撞击载荷 2引 这些结构缺陷大大削弱了头盔的冲击和抗弹性能 最终影响头盔的 防护性能和使用寿命 同时裁剪 第一章绪论铺覆等加工工艺繁琐 效率低下 造成原材料的严重浪费 图1 2复合材料头盔壳体主要制作工艺流程151三维织物结构中 孙颖 2 7 介绍了一种薄层正交三向织物 此种织物抗冲击性tILt UD布 平纹布更优异 在防护领域的应用具有巨大的潜能 应用于 复合材料盔壳增强织物可以减少铺层数和铺层缺陷 大幅度提高抗 冲击性能 28J 同时2 5D角联锁织物 纬编双轴向织物 Mul til ayeredBiaxi alWeft Knitted 简称MBWK 和经编多轴向织物 Mul tiaxi alWarp Knitted Fabric 简称MWK 因其独特的性能 可以在大曲率盔壳曲面模具上 实现无褶皱 无裁剪 无搭接的整体铺覆成型 在复合材料盔壳增 强织物的应用备受瞩目 29 31 图1 32 5D角联锁织物增强复合材料盔壳制作过程1 4混杂纤维复 合材料1 4 1混杂纤维复合材料的特点混杂纤维复合材料是指由两 种或者两种以上的纤维混杂增强同种基体而形成的复合材料 是20 世纪70年代发展起来的一种新型复合材料 321 混杂纤维复合材料不仅极大地扩展了复合材料的性能和使用范围 使材料充分保留了单种纤维增强复合材料的优点 同时还增加了材 料可设计性 达到单种增强结构所不能实现的效果 使复合材料在 低成本下实现了多功能化 刀 1 4 2混杂纤维复合材料的评价指标混合定理 Rol eofMixture 简称ROM 并I 混杂效应 Hybi rdEffecet 是普遍S天津工业大学硕士学位论文用于表征混杂纤维复 合材料混杂效果 3引 ROM根据组成各组分材料性能的比重来估算混杂纤维复合材料的性能 由于受组分性能 制作工艺等多种因素的影响 ROM对大数混杂纤维 复合材料力学性能的估算并不准确 鉴于上述原因 学者又提出 混杂效应 的概念 其定义为任何混 杂纤维复合材料力学性能的实际值对ROM估算值的偏离 混杂效应 可分为混杂正效应和混杂负效应 混杂正效应即混杂 后的复合材料实测值高于混合定理的估算值 混杂负效应即实测值 低于估算值 341 需要重点指出的是 混杂纤维复合材料表现出优异的综合性能的根 本原因是由于不同性能的纤维经混杂后表现出的 混杂效应 p5I Manders pw 361 张大兴 37 经过实验研究表明 混杂纤维复合材料拉伸性能 的 混杂效应 产生的机理主要是由于多次断裂效应引起 并引入 分散度系数的概念 用以表征混杂纤维复合材料的分散程度 一般认为 混杂效应 的产生主要由三方面因素引起热残余应力 高断裂伸长率纤维阻止裂纹扩展 低的动态应力集中等 33 1 5课题研究的目的及意义1 5 1存在的问题目前 对于复合材料 用混杂纤维织物设计的研究存在以下几点问题 1 混杂纤维选取方面 多选取低延伸率高模量纤维和高延伸率低模 量纤维混杂 如使用最多的碳纤维和玻璃纤维混杂 但是UHMWPE纤 维的拉伸强度 拉伸模量和拉伸断裂伸长率均大于芳纶纤维 UHMWP E纤维密度只有0 979 cm3 是目前比强度最高的有机纤维 成为 混杂纤维复合材料盔壳减轻重量的首选 而对这两种纤维的混杂使 用时 混杂效应 研究鲜有报道 2 混杂织物设计方面 仅侧重于一维织物单向带和二维织物混杂铺 层的复合材料性能研究 当选用三维织物作为混杂纤维复合材料盔 壳增强织物时 可以适当地减少铺层数 保证性能的同时降低成本 减少铺层缺陷 对于三维织物结构混杂的复合材料性能研究却很 少 3 混杂纤维复合材料的性能研究方面 只是研究混杂比 混杂结构 等某一因素对某一特定性能如拉伸性能 压缩性能 弯曲性能或者 冲击性能的影响 并未对混杂纤维复合材料的力学性能进行综合评 价与设计 比如对于用作复合材料盔壳的混杂纤维织物复合材料 需要同时满足拉伸 压缩 弯曲性能和冲击性能的综合要求 第一章绪论1 5 2课题目的采用国产芳纶纤维和UHMWPE纤维用于混 杂纤维复合材料头盔壳体用增强织物的纤维原料 从开展混杂纤维 织物单层结构和叠层结构的设计 综合评价研究芳纶 UHMWPE纤维 混杂织物复合材料力学性能 包括拉伸和冲击性能 优选出满足力 学性能要求 实现减重目标的混杂纤维织物复合材料盔壳材料 1 5 3课题意义通过本课题的研究工作 采用国产高性能纤维织造 织物并进行混杂织物结构设计 建立混杂织物结构和复合材料性能 之间的关系 对混杂纤维复合材料轻量化研究和力学性能优化设计 及应用等提供理论依据 指导混杂纤维复合材料头盔外壳应用 理论方面 一方面尝试寻找并建立混杂纤维织物叠层结构复合材料 力学性能设计的有效方法 另一方面为用于重量更轻的复合材料头 盔外壳提供混杂纤维织物结构设计依据 应用方面 从评价我国多个厂家芳纶纤维和高强聚乙烯纤维性能入 手 通过优化设计混杂纤维织物结构 推动国产高性能纤维在轻质 复合材料头盔壳体及其系列产品上的应用 1 6课题主要研究内容 1 通过典型实验分析 筛选出性能满足要求 质量相对稳定的国产 芳纶纤维和UHMWPE纤维 2 设计芳纶 UHMWPE纤维混杂织物的单层结构和叠层结构 确定合 理的设计方法 3 采取实验手段 评价混杂纤维织物结构对其复合材料拉伸和冲击 等性能的响 4 综合评价混杂纤维织物结构和复合材料性能之间的关系 优选出 满足用于头盔壳体的混杂纤维复合材料的轻量化的设计要求 天津工业大学硕士学位论文8第二章国产芳纶及高强聚乙烯纤维力学 性能评价第二章国产芳纶及高强聚乙烯纤维力学性能评价2 1芳纶 纤维力学性能评价2 1 1纤维束拉伸性能采集国内具有代表性芳纶 纤维生产厂家河南神马集团 河北硅谷 苏州兆达特纤和山东烟台 泰和 收集了四个单位生产的芳纶纤维样品神马的10000SAL 硅谷 的Tewei lun A 兆达和烟台泰和Taparan529T 与之形成对比的是杜邦公司芳纶 纤维Kevl ar49 如图2 1 五种芳纶纤维样品简称为神马 硅谷 兆达 烟 台和DuPont 其基本的性能标称值如表2 1所示 a 四种国产芳纶纤维试样 b DuPont芳纶纤维试样图2 1国内外芳 纶纤维试样表2 1五种芳纶纤维的基本性能标称值2 1 2 1测试 标准及实验原理测试标准 GB T19975 xx高强化纤长丝拉伸性能试验方法 38 在规定的温度 湿度与拉伸速度下 通过对芳纶纤维长丝试样的长 度方向施加拉伸载荷 使试样产生形变直至材料破坏 记录下试样 破坏时的最大载荷和对天津工业大学硕士学位论文应的位移变化情 况 2 1 1 3测试条件 1 力学性能试验仪器AGS J IKN电子精密型万能材料试验仪 如图2 2 图2 2AGS J IKN电子精密型万能材料试验仪 2 实验材料芳纶纤维试样 每种10个 a 四种国产芳纶纤维拉伸试样 b DuPont芳纶纤维拉伸试样图2 3芳纶纤维拉伸试样 3 实验条件夹持长度500mm拉伸速度v 250mm mi m温度20 C 相对湿度65 2 1 1 4数据处理与结论参照标准 拉伸性能基本指标主要有断 裂强度 断裂伸长率和初始模量 五种芳纶纤维拉伸性能测试结果如表2 2 10第二章国产芳纶及高强聚乙烯纤维力学性能评价表2 2五种芳纶纤维拉伸性能测试结果将厂家提供的标称值与实测值对比 如表2 3 表2 3五种芳纶纤维拉伸性能标称值与测试结果对比纤维J两神马硅 谷兆达烟台DuPom线I密O度符合 断裂强 度 41 26 455 3848 310 0308 345 9189 200 3 981断裂悠长率符合 12 50符合 27 00 o 83初毪萝量 40 57符合符合 3 30 l l I一注 代表大于原始数据的百分比 代表小于原始 数据的百分比 为了比较山东烟台泰和Taparan529纤维的性能指标的优劣 对其不 同系列的产品一529T 529R又进行了测试分析 测试结果如表2 4 断裂强度 cN dtex变异系数胍断裂伸长率 变异系数 初始 模量 cN dtex 21 00 4 804 0 5 5 00520 8 659 7213 619 082 927 04600 73 20 50 4 903 5 1 0 5 00520 8 729 1713 2211 702 5312 10590 54对比五种芳纶纤维 拉伸性能测试结果 将断裂强度 1 断裂伸长率 2和初始模量 3无量纲化处理 如图2 4所示 天津工业大学硕士学位论文图2 4国内外5种芳纶纤维拉伸性能测试结果对比 1 实测值与标称值的对比五种芳纶纤维性能实测值与厂家提供的标 称值均有一定的偏差 线密度基本吻合 仅有很小幅度波动 拉伸断裂强度明显偏低 差异范围在 20 91 一45 38 断裂伸长率除多个相符外 硅谷低于标称值12 50 烟台低 于标称值27 00 初始模量大多相与标称值符合 硅谷低于标称值40 57 实验按标准进行操作 产生的原因可能为1 厂家提供的性能指标为 产品说明书中的数据 偏高于实际数值 并未进行实际测试 且质 量不稳定 力学性能分散系数大 2 产家提供的试样属于索取 可 能存放有一定时间 造成性能下降 2 国产与DuPom对比DuPont拉伸断裂强度和初始模量最大 但拉伸 断裂伸长率适中DuPont线密度 拉伸断裂强度 断裂伸长率 初始 模量等性能指标变异系数小 纤维质量稳定性好 而国产纤维相应 的指标变异系数大 纤维质量稳定性差 3 国产芳纶纤维对比在相同的测试条件下 参考性能指标拉伸断裂 强度 拉伸断裂伸长率和拉伸初始模量 拉伸性能最好的为烟台泰 和公司泰普达芳纶纤维529T 2 1 2单丝拉伸性能2 1 2 1测试标准及实验原理测试标准 AS TM D3379 75Standard TestMethodfor Tensil eStrengthandYong S Modulusfor High Modul usSingl e Fi lamentMateri als 39J 实验原理在规定的温度 湿度与拉伸速度下 通过对芳纶纤维单丝 试样的长度方向施加拉伸载荷 使试样产生形变直至材料破坏 记 录下试样破坏时的最大载荷和对应的位移变化情况 1 第二章国产芳纶及高强聚乙烯纤维力学性能评价2 1 2 2测试 条件 1 试验仪器YG001A纤维电子强力仪 如图2 5 2 实验材料芳纶纤维单丝试样 每种50个 如图2 6 图2 7 图2 6纤维单丝拉伸试样图图2 7五种芳纶纤维单丝拉伸试样 3 实验条件夹持长度25mm 拉伸速度v 12mm mi n温度20 相对湿度65 2 1 2 3数据处理与结论 1 国产与DuPont对比DuPont拉伸断裂强度最大 但拉伸断裂伸长率 最小DuPont拉伸断裂强度 断裂伸长率等性能指标变异系数小 纤 维质量稳定性好 而国产纤维相应的指标变异系数大 纤维拉伸性 能稳定性差 如表2 5和图2 8 2 国产芳纶纤维对比在相同的测试条件下 参考性能指标拉伸断裂 强度 拉伸断裂伸长率 拉伸性能最好的为烟台泰和公司Taparan52 9T 天津工业大学硕士学位论文表2 5五种芳纶纤维单丝拉伸性能实测值图2 8五种芳纶纤维单丝拉伸断裂强度2 2高强聚乙烯纤维束力学性能评 价2 2 1纤维束拉伸性能由于复材所张典堂同学己对国产高强聚乙 烯纤维的力学性能完成评价 现在引述其部分成果 对中石化仪征化纤股份有限公司开发的三种细度UHMWPE纤维 500D 1000D和1500D 的拉伸性能进行了测试 并与荷兰和宁波大成的高强 聚乙烯纤维性能进行对比 评价其断裂强度 伸长率和拉伸模量 见表2 6 纤维拉伸测试仪器和拉断照片如图2 9所示 第二章国产芳纶及高强聚乙烯纤维力学性能评价图2 9UHMWPE纤维拉伸测试仪器及断裂端照片表2 7给出仪征化纤与其他厂家UHMWPE纤维拉伸性能的对比数据 可以看 出 仪征UHMWPE纤维的拉伸性能偏低于荷兰Dyneema和宁波大成纤维 性能 2 2 2结论对仪征化纤三种不同细度UHMWPE纤维拉伸性能进行测试 发现细度为500D纤维断裂强度与弹性模量最高 分别为27 5cN dtex和80 82GPa 但是与荷兰和宁波大成的纤维拉伸断裂强度 弹 性模量相比 仪征UHMWPE纤维性能偏低 懈 一一 一一一度ng一卯一 天津工业大学硕士学位论文16第三 章国产芳纶 高墙聚乙烯纤维混杂织物结构设计第三章国产芳纶 高强聚乙烯纤维混杂织物结构设计3 1混杂织物单层结构设计3 1 1芳纶 高强聚乙烯纤维混杂织物单层结构设计芳纶 高强聚乙烯 纤维混杂织物单层结构设计中 交织结构包括平纹组织 2 2方平 组织和3 1斜纹组织 织物种类既有单一织物 经纬纱线均为芳纶纤 维或者高强聚乙烯纤维 又有混杂织物 经纱为芳纶纤维 纬纱为 高强聚乙烯纤维 混杂比例 高强聚乙烯纤维的体积分数 包括 0 32 5 50 67 5 100 经纬密度主要包括6 5 6 5 根 cm 9 5 9 5 根 cm 12 5x12 5 根 cm 具体参数 见表3 1 表3 1芳纶 高强聚乙烯纤维混杂织物单层结构参数以 KAJ P5 芳纶 高强聚乙烯平纹织物为例 织物上机工艺参数如表3 2 织物结构参数为经纱为芳纶纤维 细度为1580dtex 经密为12 5根 cm 纬纱为高强聚乙烯纤维 细度为1666dtex 纬密为12 5根 cm 表3 2 K U P5 芳纶 高强聚乙烯平纹织物上机参数17天津工 业大学硕士学位论文3 1 2织造步骤芳纶 高强聚乙烯纤维混杂织 物上机织造主要包括整经 穿综 穿筘 织造等工艺过程 401 如 图3 1织物试样如图3 2 a 整经 b 穿综 C 穿筘 d 织造图3 1织物上机织造图3 2织物试样18第三章国产芳纶 高墙聚乙烯纤维混杂织物结构设计3 2混杂织物复合材料层板的制备混杂纤维复合材料混杂方式依据纤 维原料铺层顺序的不同 常用的主要包括夹芯混杂 层间混杂和层 内混杂 3 2 1铺层结构设计芳纶 高强聚乙烯纤维混杂织物层合结构 设 计混杂方式为上述三种 混杂比例包括 0 25 32 5 40 50 60 67 5 75 100 具体参数如表3 3 混杂方式如图3 3 图3 4 图3 5 表3 3芳纶 高强聚乙烯纤维混杂织物层合板结构设计注KP芳纶平纹织物 KB芳纶方平织物UP高强聚乙烯平纹织物UB高强聚乙烯方平织物K U P芳纶 高强聚乙烯平纹混杂织物K U B芳纶 高强聚乙烯方平 混杂织物K U T芳纶 高强聚乙烯斜纹混杂织物对于夹芯混杂结构 以 10 UP 3 I 为例 KP 表示最外层为芳纶平纹织物 织物结构参数为经纬纱线为芳 纶纤维 细度为1580 1580dtex 经纬密度为6 6根 cm UP 表示芯层为高强聚乙烯平纹织物 织物结构参数为经纬纱线为高强 聚乙烯纤维 细度为1666 1666dtex 经纬密度为6 6根 cm 3 表示同类型织物有3层 19天津工业大学硕士学位论文图3 3夹芯混杂结构 KP UP 3 KP 示意图对于层间混杂结构 以 KP UP KP UP KP 为例 KP 表示最外层为芳纶平纹织物 织物结构参数为经纬纱线为芳 纶纤维 细度为1580 x1580dtex 经纬密度为6x6根 cm UP 表示 芯层为高强聚乙烯平纹织物 织物结构参数为经纬纱线为高强聚乙 烯纤维 细度为1666x1666dtex 经纬密度为6x6根 cm 图3 4层间混杂结构 KP uP KP UP KP 示意图对于层内混杂结构 以 K U P1 5为例 K U P1 表示芳纶 高强聚乙烯平纹织物 织物结构参数为经纱为芳纶 纤维 细度为1580dtex 经密为6根 cm 纬纱为高强聚乙烯纤维 细度为1666dtex 纬密为6根 cm 图3 5层问混杂结构 K U P1 4示意图第三章国产芳纶 高墙聚乙烯纤维混杂织物结构设计3 2 2树脂体系考虑高强聚乙烯纤维的低玻璃化转变温度 低熔点 耐热性差 在接近100 C时 恒定静拉载荷能力迅速下降 不适用于在此温度范围较长时间 承受较大载荷 因此采用低温固化环氧树脂体系 环氧树脂性能如 表3 4 表3 4环氧树脂浇注体性能指标3 2 3成型工艺3 2 3 1成型工 艺参数具体操作工艺条件为混料温度20 30 时间15 20rai n 真空度 0 1MPa 输料温度20 30 固化条件为40 3h 之后升温至80 6h 3 2 3 2RTM成型过程树脂传递模塑成型工艺 Resi nTransfer Moldi ng RTM 是先进复合材料低成本制造技术的主要发展方向之一 是 一种采用刚性闭合模具制造复合材料的技术 其基本原理是在模具的型腔中预先放置增强材料 合模夹紧后 在 一定的温度和压力下将混合均匀的树脂体系注入模具 浸渍增强织 物并加热固化 最后脱模得到产品 和其他成型技术相比 RTM工艺的技术优势是将纤维预成型体的设计 与树脂的模塑过程分开 充分发挥铺层材料的可设计性 图3 6为RTM工艺的主要流程 图3 6RTM工艺主要流程21天津工业大学硕士学位论文3 2 4混杂纤维复 合材料层板试验件的制作芳纶 高强聚乙烯纤维混杂复合材料层合 板试验测试标准 试验尺寸 加载速率 冲击能量 与所需试验仪器 如表3 5 表3 5芳纶 高强聚乙烯混杂纤维复合材料层合板试验测试标准使 用复合材料切割机对层板按照试验标准的尺寸进行切割 试验所需 标准测试件尺寸与具体切割方案如图3 7 复合材料切割机如图3 8 切割试样如图3 9 图3 7复合材料层合板切割方案图3 8复合材料切割机第三章国产芳纶 高墙聚乙烯纤维混杂织物结构设 计图3 9切割试样23天津工业大学硕士学位论文24第四章芳纶 高强聚乙烯 纤维混杂复合材料拉伸性能研究第四章芳纶 高强聚乙烯纤维混杂 复合材料拉伸性能研究4 1混杂纤维复合材料层板拉伸性能研究现 状混杂纤维复合材料层板的拉伸性能不仅取决于组成各种纤维的力 学性质 还取决于基体韧性 混杂比和混杂结构等 Wan914l J研究CF GF混杂复合材料的拉伸性能时发现 当碳纤维含量为50 时层间混杂结构 C G C G s复合材料具有较好的拉伸强度和拉伸 模量 ManderspW 36J研究了夹芯结构CF GF混杂复合材料在不同混杂比和 分散度情况下的拉伸性能及破坏形式 结果表明混杂复合材料的拉 伸断裂伸长率随着碳纤维含量和分散度的减少而增加 同时混杂复 合材料的断裂形式呈现多级式 只有当损伤积累到一定程度时才能 发生最终断裂破坏 位于芯层的碳纤维铺层数越少 应力 应变曲 线越趋于光滑 初级断裂应变越大 Zweben C 42J重点研究分析单向混杂复合材料中脆性纤维和韧性纤维拉伸强 度统计分析的作用 张大兴 431对C G纤维多向混杂复合材料拉伸性能进行实验研究 结果发现多向混杂复合材料的拉伸模量分布在两种单一纤维复合材 料之间 蔡长庚m 选取基体韧性和铺层方式两个因素 对C G纤维混杂复合 材料拉伸性能的影响进行了研究 结果表明混杂纤维复合材料的拉 伸强度和断裂伸长率均呈现混杂正效应 当选用韧性基体和玻璃纤 维在面层的混杂纤维复合材料具有较好的拉伸性能 张玉芳1451对层间和夹芯结构C UHMWPE纤维混杂复合材料的拉伸性 能进行研究 发现拉伸强度以 C C UHMWPEF c c 方式铺层为最 佳 其拉伸强度比相同层数的碳纤维复合材料高12 6 达871 5 MPa 过多的层数不利于两种纤维性能的发挥 拉伸后混杂纤维复合 材料的宏观断裂形貌与碳纤维复合材料有所不同 有纤维拔出 张梅mJ对G K纤维混杂复合材料的拉伸性能进行研究 提出了混杂 界面对拉伸性能的影响 实验结果表明混杂复合材料的拉伸断裂破 坏大多表现为多次断裂 界面数越多 一次性破坏的可能性越大 张用兵147J研究了混杂方式对C UHMWPE纤维混杂复合材料力学性能 的影响 结果表明层内混杂复合材料的拉伸性能最好 夹芯混杂复 合材料次之 层间混杂复合材料最小 层内混杂试样断裂成两部分 夹芯混杂试样两侧碳纤维层己全部断 裂 而UHMWPEF层只是伸长而并未断裂 层间混杂试样有少部分碳纤 维未断裂 由于混杂界面的存在 夹芯混杂和层间混杂试样的破坏是分级破坏 而且界面越多 对试样的断裂强度影响越大 25天津工业大学硕士学位论文很多研究证明混杂纤维复合材料的拉 伸模量基本符合混合定律 ROM 如公式 4 1 因此可以用ROM估 算初始模量 EHy ELEVLE EHEV HE EmVrm 4 1 一般情况下 基体对复合材料拉伸模量的贡献可以忽略 简化后 的公式如 4 2 EHy2ELEVLE牟EHEVHE 4 2 而混杂纤维复合材料的拉伸强度受多种因素的影响 因为脆性纤 维在应变达到其断裂应变时首先断裂 使理论计算值与实测值产生 较大偏离 然而混杂纤维复合材料表现出优异综合性能的根本原因是不同性能 的纤维经混杂使用后呈现出 混杂效应 混杂效应 的大小一般用混杂效应系数R 来衡量 如如公式 4 3 R 訾在拉应力作用下 当脆性纤维断裂以前 两种纤维共同承担应力 维复合材料应变达到脆性纤维的断裂应变 LE时 脆性纤维首先 断裂 论拉伸强度 也称为一级拉伸断裂强度oHYl 如公式 4 4 4 3 当混杂纤此时的理oHYl ELE EHE vLE EHE VfSLE 4 4 但当脆性纤维断裂后 载荷由韧性纤维承担直到整个试样发生破 坏 这时的断裂强度 也称为二级拉伸断裂强度 y2 如公式 4 5 O Hy2 EHE 1一VLE vf HE 4 5 假定脆性纤维复合材料断裂强度为D点 韧性纤维复合材料断裂强 度为A点 如图4 1 可想而知 当脆性纤维体积分数很小时 由于 陋小 拉应力集中 到这个弱小的组分上并使之迅速破坏 破坏之后对整个体系不但不 能承载而且还要占有部分无效体系 所以在一定范围内随着 F的增加 整个体系的强度反而下降 达 到临界体积分数V LE C点时出现强度最低点 随后由于韧性纤维含量大到足够对承载有贡 献时 曲线逐步上升 在C点之前 脆性纤维先断裂并将载荷传递给韧性纤维 由韧性纤维 承载直至整体失效 因此在C点之前 混杂纤维复合材料的失效一般是多级破坏但C点之 后则是单级破坏 这主要是由于脆性纤维首先断裂后韧性纤维的体 积分数相对较小 承载能力很低 在设计中 26第四章芳纶 高强聚乙烯纤维混杂复合材料拉伸性能 研究临界体积分数应当避开 而临界点就在于一级拉伸断裂强度 n 级拉伸断裂强度相等的时刻 由此可以求出临界体积分数混杂复厶 口材料断裂强度忐 1 面ELE磊EL E0 0脆性纤维体积含量图4 1混 杂复合材料的理论强度1JcI 4 6 混杂纤维复合材料由于其自身的 组成和结构的复杂性 其破坏过程较单一复合材料复杂的多 对混 杂复合材料拉伸破坏过程主要有纤维束理论和抑制裂纹传播理论 4