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超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)与碳纤维、芳纶纤维并称三大高强度纤维,是用于复合材料增强体的重要纤维材料之一。同时其体积质量比水低,在开发质量轻、便于运输安装的复合材料上具有优势。本文为研究开发质量轻、强度高的墙体板材或车船壳体板材,设计研制以UHMWPE短纤维纱为增强材料、以热固型环氧树脂为基体的中空直角蜂窝状复合板,为此进行了以下研究工作:
(1)研究多层联锁结构孔状机织物形成的组织机理;研究以UHMWPE短纤维纱线为经纬、在单经轴多臂剑杆织机织造的方法与技术。
(2)研究以环氧树脂为基体、多层联锁结构孔状机织物为增强体制成直角蜂窝复合板的方法与工艺。
(3)研究UHMWPE纤维增强直角蜂窝复合板的力学性能和热稳定性能,研究影响复合板性能的主要因素。
研究结果表明:
(1)利用表里换层双层、多层组织原理,采用多组经纱交叠换层,可以形成多层联锁结构孔状机织物。理论上按照此织造机理可以织制4层、5层甚至更多层数的机织物,但是由于本实验采用的单经轴多臂剑杆织机的综框数不够、综框提升高度不够、刀片无法割断纱线、纱线本身张力过大易断经、纱线易与筘片摩擦产生疵点、筘齿密度小等原因导致无法织制更多层的布样。
(2)环氧树脂的涂覆时间不宜过长;保鲜膜包裹的钢条更易于复合板固化成型后取出并且不易破坏孔结构的大小;施压板与承压板的尺寸必须与插入钢条后的布样充分齿合,并且施加压力时保证整个结构内部不发生滑移;注意面板与直角蜂窝复合板粘接处树脂的溢出。
(3)单层直角壳体:通过改变样品直角边宽、施加压力、施加压力时长三个因素测量直角壳体夹角度数变化情况,表明直角边宽越宽、加压时间越长、施加载荷越大、纤维质量渗透率越高,单层直角复合板抗压缩性能越差。此种结构,纤维增强体的作用效果不明显,质量渗透率越大的材料硬度较小,直角壳体结构不稳定,所起的支撑作用较小。
三种蜂窝状复合板:在热分析测试中,随着温度的上升,该材料发生了两次热解反应,第一阶段为环氧树脂的热解反应,第二阶段为UHMWPE的热解反应,当温度高于140℃时,材料的外观形貌将发生变化。说明常态下该材料的热稳定性较好。
分别对三种样品施加载荷至破坏载荷的30%。在弯曲性能测试中,质量渗透率越高,复合板产生形变所需的弯曲外力越大;力矩及样品长度的增加,最大载荷处的位移值也会明显增加。在平拉性能测试中,质量渗透率较大的复合材料,平拉性能较好;直角蜂窝复合板结构复杂的材料,由于直角蜂窝复合板与面板处的粘结程度低,易发生面板与蜂窝板粘接处产生断裂。在平压性能测试中,随着蜂窝复合板高度增加则力矩增加,下层结构的支撑作用增强,单层材料出现了明显的回弹。
(1)研究多层联锁结构孔状机织物形成的组织机理;研究以UHMWPE短纤维纱线为经纬、在单经轴多臂剑杆织机织造的方法与技术。
(2)研究以环氧树脂为基体、多层联锁结构孔状机织物为增强体制成直角蜂窝复合板的方法与工艺。
(3)研究UHMWPE纤维增强直角蜂窝复合板的力学性能和热稳定性能,研究影响复合板性能的主要因素。
研究结果表明:
(1)利用表里换层双层、多层组织原理,采用多组经纱交叠换层,可以形成多层联锁结构孔状机织物。理论上按照此织造机理可以织制4层、5层甚至更多层数的机织物,但是由于本实验采用的单经轴多臂剑杆织机的综框数不够、综框提升高度不够、刀片无法割断纱线、纱线本身张力过大易断经、纱线易与筘片摩擦产生疵点、筘齿密度小等原因导致无法织制更多层的布样。
(2)环氧树脂的涂覆时间不宜过长;保鲜膜包裹的钢条更易于复合板固化成型后取出并且不易破坏孔结构的大小;施压板与承压板的尺寸必须与插入钢条后的布样充分齿合,并且施加压力时保证整个结构内部不发生滑移;注意面板与直角蜂窝复合板粘接处树脂的溢出。
(3)单层直角壳体:通过改变样品直角边宽、施加压力、施加压力时长三个因素测量直角壳体夹角度数变化情况,表明直角边宽越宽、加压时间越长、施加载荷越大、纤维质量渗透率越高,单层直角复合板抗压缩性能越差。此种结构,纤维增强体的作用效果不明显,质量渗透率越大的材料硬度较小,直角壳体结构不稳定,所起的支撑作用较小。
三种蜂窝状复合板:在热分析测试中,随着温度的上升,该材料发生了两次热解反应,第一阶段为环氧树脂的热解反应,第二阶段为UHMWPE的热解反应,当温度高于140℃时,材料的外观形貌将发生变化。说明常态下该材料的热稳定性较好。
分别对三种样品施加载荷至破坏载荷的30%。在弯曲性能测试中,质量渗透率越高,复合板产生形变所需的弯曲外力越大;力矩及样品长度的增加,最大载荷处的位移值也会明显增加。在平拉性能测试中,质量渗透率较大的复合材料,平拉性能较好;直角蜂窝复合板结构复杂的材料,由于直角蜂窝复合板与面板处的粘结程度低,易发生面板与蜂窝板粘接处产生断裂。在平压性能测试中,随着蜂窝复合板高度增加则力矩增加,下层结构的支撑作用增强,单层材料出现了明显的回弹。