玄武岩纤维混杂复合材料性能研究

摘要

玄武岩连续纤维是一种绿色、环保的高性能纤维，致力于玄武岩连续纤维及其混杂复合材料的研究不仅可以丰富我国高性能纤维材料的品种，而且极大地扩展了复合材料的性能和应用范围。这在充分发挥单一增强体材料性能优点的同时，通过不同纤维品种的混杂实现了复合材料整体综合性能的可设计性，为实现性能多样化、复合化的先进复合材料设计与制备提供了新的途径。
　　玄武岩连续纤维作为一种新型的高性能纤维，其不仅具有较高的力学性能，同时在绝热性、耐腐蚀性以及绝缘性能方面也具有突出的优势，此外该纤维品种还具有优异的性价比，备受材料领域关注。碳纤维作为一种传统的高性能纤维，以其优异的综合性能一直是先进复合材料领域中重要的增强体材料。但是该纤维表面惰性、与基体粘接强度低，影响材料整体性能的发挥，同时该纤维品种价格高，技术由美、日等国垄断，限制对我国的出口。鉴于以上分析，本文根据玄武岩纤维、碳纤维各自的性能优势，以期通过混编结构的设计制备出综合性能优异的混杂复合材料，为材料应用领域提供一种有利于国产化的、低成本的复合材料。
　　对玄武岩纤维/碳纤维混编结构进行设计与分析。通过对不同编织结构力学性能、织物密度以及基体树脂浸润性的分析，确定混编织物采用平纹编织结构以及经纬向编织参数7×7根/cm。根据编织工艺要求以及纤维性能特点，设计了5种不同的混编结构，并对各种混编织物的经纬向拉伸强力与断裂伸长率进行了表征分析，发现在混编织物中玄武岩纤维强度发挥率高于碳纤维。
　　对混杂复合材料模压成型工艺进行了研究。首先针对酚醛树脂固化反应特点，进行了预浸料制备工艺研究，通过定量浸渍稳定浸润树脂含量，同时还确定了预固化温度为79℃，预固化时间1.5小时。然后研究了复合材料模压固化制度，确定了50℃升温到110℃保温3～5分钟后加压10MPa，在升温到160℃保温3小时，期间进行3～5此排气的固化制度。按照该固化工艺制备出不同的混编复合材料，研究了复合材料中树脂含量对其性能的影响规律，发现复合材料中酚醛树脂的体积含量在34±2％时，复合材料层合板的力学性能最优。
　　对不同混编结构的复合材料性能进行研究，发现随着玄武岩纤维含量的增加，复合材料的拉伸强度、压缩强度和层间剪切强均表现出先增大后减小的趋势。对复合材料热性能和烧蚀性能研究发现玄武岩纤维的引入确实能够改善复合材料的绝热性，同时使复合材料的烧蚀模式是酚醛树脂基体材料的分解、炭化；碳纤维的升华、辐射效应以及玄武岩纤维的熔融、气化效应的耦合作用。

目录

玄武岩纤维混杂复合材料性能研究

RESEARCH ON PROPERTIES OF BASALT FIBER HYBRID COMPOSITES

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 项目研究的目的与意义

1.2 玄武岩纤维国内外研究现状

1.2.1 玄武岩纤维制备技术研究现状

1.2.2 玄武岩纤维复合材料研究现状

1.3 混杂纤维复合材料国内外研究现状

1.3.1 混杂纤维复合材料设计原理与混杂效应的研究

1.3.2 混杂纤维复合材料研究现状

1.4 本文的研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验原料及仪器

2.1.1 实验仪器

2.1.2 实验原料

2.2 玄武岩纤维混杂复合材料的制备

2.3 玄武岩纤维混杂复合材料力学性能测试

2.3.1 玄武岩纤维混杂复合材料拉伸强度测试

2.3.2 玄武岩纤维混杂复合材料压缩强度测试

2.3.3 玄武岩纤维混杂复合材料层间剪切强度测试

2.3.4 玄武岩纤维混杂复合材料力学性能试样断面形貌分析

2.4 玄武岩纤维混杂复合材料热性能测试

2.4.1 玄武岩纤维混杂复合材料热扩散系数测试

2.4.2 玄武岩纤维混杂复合材料导热系数测试

2.5 玄武岩纤维混杂复合材料烧蚀性能测试

2.5.1 玄武岩纤维混杂复合材料质量烧蚀率和线烧蚀率测试

2.5.2 玄武岩纤维混杂复合材料烧蚀端面形貌分析

第3章 玄武岩纤维混杂复合材料的制备与结构优化

3.1 玄武岩纤维/碳纤维混编结构设计与性能研究

3.1.1 玄武岩纤维/碳纤维混编织物结构设计

3.1.2 玄武岩纤维/碳纤维混编织物的性能研究

3.1.3 玄武岩纤维/碳纤维混杂复合材料的设计

3.2 玄武岩纤维混杂复合材料层合板的制备工艺

3.2.1 热固性酚醛树脂固化的研究

3.2.2 预浸料制备的研究

3.2.3 模压成型工艺研究

3.5 本章小结

第4章 玄武岩纤维混杂复合材料性能研究

4.1 玄武岩纤维混杂复合材料力学性能

4.1.1 玄武岩纤维混杂复合材料拉伸性能

4.1.2 玄武岩纤维混杂复合材料压缩性能

4.1.3 玄武岩纤维混杂复合材料层间剪切性能

4.2 玄武岩纤维混杂复合材料热性能

4.3 玄武岩纤维混杂复合材料烧蚀性能

4.3.1 玄武岩纤维混杂复合材料烧蚀性能

4.3.2 玄武岩纤维混杂复合材料烧蚀机理探索

4.4 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢