三维编织芳纶纤维增强树脂基复合材料的性能研究与设计

1、.-三维编织芳纶纤维增强树脂基复合材料的性能研究与设计XX大学湿率比在蒸馏水中的高;吸湿使复合材料的弯曲性能、剪切性能降低,而使冲击性能提高。icalproperties,moistureabsorptionbeh avior,frictionandwearcharacteristics ofpositeswereresearched;And3-dbra idedpositesweresimulatedbycrossmo YS,thestressofartificialhipjointwasa nalyzed.d;Withthetemperaturerising,hygroscop icdeg

2、reeofpositesconspiCUOUSincre ased;hygroscopicdegreeofpositesin PBSismorethanindistilledwaters;Mois tureabsorptionofpositesresultsint hedropofflexuralpropertiesandshearpr operties,however,makesimpactproperti esincreased.ABSTRACToperties,moistureabsorptionbehavior, frictionandwearcharacteristics,simul

3、 ate,stressanalysis骨折在创伤中占有很大比例,与骨折治疗相关的问题一直是研究的热点。骨折的治疗分为复位使骨折断部的紧密接触、正确可靠的固定、康复训练(目的是正常的血液供应和良好的应力刺激)三部分,其中骨折固定是骨折愈合的保证。而骨固定材料是骨折治疗的基础。由于骨是最理想的等强度优化结构,但骨的部材料分布很不均匀,在骨和关节系统复杂的应力条件下,不仅要求骨固定材料无毒副作用、有生物安全性,而且必须有足够的力学强度IlJ。第一苹绪论骨修补手术时,由于这些金属材料的导热系数高,成型加工困难,尤其是使得病人头部对外界温差的反应很敏感,使病人有不适之感【5。近十年来,可降解材料得到迅速

4、发展,其应用围涉及到几乎所有非永久性的植入装置,包括药物控释载体、手术缝线、骨折固定装置、器官修复材料、人工皮肤、手术防粘连膜及组织和细胞工程等。在的力学相容性问题。但达到临床应用水平的很少,是正在发展的领域f31。医用纤维复台材料模量小等缺点。采用纤维增强聚合物复合材料带?造人工骨最有代表性的应用实例有CFGF混杂增强PMMA复合材料制造的人工颅骨,用于因意外受伤或手术造成的颅骨损伤的修补。经材料、动物、生理实验和临床试验说明,这种人工颅骨修补材料与所用的金属和高分子材料相比,具有优良的生物相容性、安全性,在试验研究中X出现异常现象和不良反应,是一种理想的体埋檀材料!loJ。X卫兵11等人研

5、制了一种用于颅骨修补的长碳纤维/PSF复合材料。该材料经动物实验说明,基本无组织排斥反应,生物相容性优良,透X射线性能好。狳大元2】等人用短碳纤维增强PMMA做颅板材,其结果说明材料的抗拉弹性模量和抗冲击强度与有机玻璃相比提赢两倍,硬度高于颅骨硬度,线膨胀系数常温与有机玻璃在.40。C时数值相当,耐介质试验在常温下350小时,几乎无明显增重、增容,板材模压复合材料随机走向的纤维,可阻止裂纹的扩展,具有止裂机理,经过动物实验,已应用于临床,获得了较满意的效果。万雪飞【141系统的研究了三维编织碳纤维增强热塑性树脂尼龙(c3D/ MC)复合材料的吸湿性能。其研究认为(C3cgMC)复合材料的吸湿要

6、比c 3D/EP复合材料的吸湿大,吸湿规律都符合Fick定律,认为30%的(c 3胡c)复合材料吸湿后的力学性能能够达到骨折固定的要求。弘Il5】对骨固定用三维编织聚乙烯纤维增强热塑性树脂PMMA的力学性能进行了研究。宗强061对三维编织碳纤维和芳纶纤维增强热塑性树脂尼龙(C3胡订C和K3 eMC)复合材料的力学性能进行了研究。研究说明,C3D/Mc复合材料的弯曲性能、冲击性能和剪切性能都比基体和单向纤维方向的复合材料要好,K30 /MC复合材料的韧性和耐冲击性要比优异的力学性能,也避免了层合复合材料的层间分层现象。所以三维编织复合材料是一种多向性复合材料,其部件和结构可承受多向应力和热应力。

7、研究方法、分析方法和破坏机理等对三维编织复合材料进行研究。纤维复合材料力学性能的研究进展三维编织可织成复杂的、规那么的形状,可以制成接近近似形状的编织物预制件,减少了工装工作时间,现在可以编织横截面为I型、T型、直角型、椭圆形、对称形的横截面。与普通层压复合材料制造工艺不周的是,编织是同时进行结构制造的。在编织过程中,结构工艺大大影响最后结构件的整体性,要制造好接近近似形状的结构复合材料,必须根据袭征材料的力学行为和几何要求来确定设计准那么,所以表征织物材料的力学行为和构件的结构响应是重要的。Dv.纤维线密度(登尼尔);e一纤维编织角。图1-1三维编织复合材料的单元体Fig1-1Theelem

8、entof3一dbraidedp osites由表可知,芳纶纤维的应用的综合性能优良,以下为芳纶纤维的特点:芳纶纤维具有优越的热稳定性、高结晶性、高取向结构及高拉伸性能。其玻璃化转变温度高和优异的热稳定性使芳纶纤维在高温度下可以保证抗冲击结构的稳定性;高结晶、高取向性产生了高模量,保证了高的波动速率及对轴向变形的快速反应;高弹性和中等延伸率使芳纶纤维具有高韧性,从而在纵向断裂时能有效工作。这些性能使芳纶纤维在承受冲击载荷对能有效趿收轴向应交能和纵向动能。纤维,但是复合材料的纵向拉伸和纵向压缩的承载能力受基体的弹性模量影响很大。断裂伸长率的匹配对于发挥纤维的性能尤为重要。如果基体的断裂伸长率高于

9、纤维,那么才有可能使断裂发生在纤维或纤维与树脂的界面,从而获得较高的承载能力和高的韧性。氯乙烯、高密度聚乙烯、通常的有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)等。应用较多的热塑性树脂为尼龙、ABS、聚丙烯、聚砜、PMMA等。这类塑料的不足之处:强度、硬度、耐热性、尺寸精度较低,热膨胀系数较大,力学性能受温度影响较大,蠕变、冷流、耐负荷变形大等。量不高和尺寸精度要求不高的制件。包括真空处理、浸渍、固化定型三个阶段。真空浸渍法的缺点是树脂浪费大,生产过程是间歇式,纤维体积含量相对较低,制品的表面质量差。但由于其投资少、工艺简单、工艺容易实现,通常在实验或产品试制中使用。结构,编织体一次成型,结构不分层,

10、整体性好且连续,提高了沿厚度方向的力学性能,有较好的能量吸收和抗疲劳性能,且能与RTM技术相结合直接成型形状复杂的结构,可以克服层合板复合材料的层间分层现象。基于此,本课题拟以三维编织复合材料作为骨固定或骨替换材料。4,三维编织复合材料的模拟。主要为建立三维编织复合材料的交叉模型,并对交叉模型进行修正。而且应用ANSYS建立三维编织复合材料的有限元模型,并由应力结果验证三维编织复合材料的增强机理。以本文以有机玻璃和环氧树脂作为编织复合材料的基体,选择芳纶纤维为复合材料的增强体制备了K3D/PMMA和K3D/EP复合材料【545。如表所示。临海市精工真空设备厂图2:1模具示意图合材料力学性能的研

11、究,本文的力学性能研究包括弯曲性能、剪切性能和冲击性能的研究。所采用的试验标准和研究方法如下。Array冲击试验按进行,试样为缺口小试样。冲击试验尺寸为6 0ram12mmX2mm,缺口深度为,缺口宽度为,跨距40ram,每组试样4件。21-145,第二章三维编织复合材料制备及力学性能研究结果与讨论圪P(f)“只一Po)=exp一(t/钿化)9(26)式中,Po,P和尸。分别为体系在恒温固化时刻t=O,f和oo时的性能; f。为固化松弛时间;卢为常数。于流动态,模量很低。随固化过程的进行,体系模量逐渐升高,特别是固化进行到凝胶点后,模最随时间迅速上升,直到固化完成,模量趋于平衡值。小;当温度足够高,从而满足t?&。1/u,对应的温度就是玻璃化转变温度。从力学耗的角度来看,当链段运动被冻结时,由于不存在链段之间的相对迁移,不必克服链段之间的摩擦力,耗非常小;而当链段运动自由时,链段之