UHMWPE短纤纱增强环氧树脂复合板热力学性能研究

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本文采用UHMWPE短纤纱编织成不同结构的纱线网板作为增强层,以6307环氧树脂为基体,采用手糊法制备了厚度为4mm的UHMWPE短纤纱增强环氧树脂复合材料。文中探讨了手糊法制备复合材料的工艺确定,不同编织结构的UHMWPE短纤纱增强网板对复合材料力学性能的增强效果,不同温度对UHMWPE纤维材料性能及UHMWPE短纤纱增强环氧树脂复合材料性能的影响,并用单因素方差分析的方法研究了不同编织结构的纱线网对复合材料成型性的影响,以及两因素方差分析就不同温度和不同编织结构对复合材料力学性能有无显著性差异进行了讨论。纤维材料与温度的关系研究主要是用烘箱干热处理60℃、80℃、100℃、120℃、140℃五个温度级,加热时长4h、6h、8h、10h、12h五个时间长度对UHMWPE纤维材料的纵向形态、纱线热收缩、材料热分析、红外光谱、X射线衍射实验、断裂强力及断裂伸长率的影响研究。结果表明UHMWPE纤维材料的熔点147.7℃左右,并且当温度高于120℃,时间超过10h,UHMWPE纤维性能会发生明显变化,如纵向裂纹增多,纱线热收缩加剧,纤维内部大分子基团振动加剧,纤维晶体结构有所变化,纤维断裂强度下降,断裂伸长率增加。复合材料的制备采用手糊法的工艺,UHMWPE短纤纱增强层分别设计了高低密度单向纱排列、无交织纱线排列、平纹结构、散纤维、一种密度的纱罗结构、互绞结构及无任何增强材料的对比样11种不同结构、不同密度的复合材料类型。采用定量法手糊工艺,将增强层置于集体材料内部,多层涂刷有利于减少气泡产生,并采用常压下自然固化与烘箱40℃烘燥相结合的方法使其固化成型。复合材料成型性研究主要包括复合板材厚度及增强层在基体中的位置偏移。结果表明高密度增强层均比低密度增强层平均厚度大,纱线类结构差距不大,散纤维增强类差值尤为明显;相同编织结构的增强层,低密度组织较高密度组织的平均偏移率大;相同密度编织结构增强层,平纹组织最大。通过方差分析表明不同增强层结构的复合材料厚度及增强层偏移率间有显著性差异。UHMWPE短纤纱对复合材料力学性能的增强效果研究发现,不同结构纱线增强层复合材料的经向拉伸强度、弯曲强度、断裂韧性和冲击强度较纬向增加的幅度大,相同组织不同密度增强层对拉伸强度的影响规律不是很明显。低密度双向无交织纱排列增强层经向拉伸强度、弯曲强度、冲击强度增长率最多,高密度平纹增强层经向断裂韧性增长最多,纱罗组织增强层的纬向拉伸强度、弯曲强度、断裂韧性增长率较多,复合材料热力学性能的研究,加热温度100℃、120℃、140℃,加热时间12h,分别测试复合材料的拉伸断裂强度、弯曲强度、断裂韧性及冲击强度。结果表明,不同类型增强层组织复合材料的经纬向拉伸强度、弯曲强度和断裂韧性整体上随着温度的升高先上升再下降,且在120℃时达到最大值,而冲击强度随着温度的升高,力值呈下降趋势。经过SPSS处理,发现不同温度、不同增强层复合材料类型对复合材料经、纬向力学性能都有显著性影响,且差异显著。温度对纬向拉伸强度、经纬向冲击强度的差异显著,经向拉伸强度、经纬向弯曲强度及断裂韧性则在三个温度间无显著性差异。
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