改性UHMWPE环氧树脂增强复合材料拉伸弯曲性能研究

摘要

纬编针织结构作为复合材料的主要增强体结构已经广泛应用于防护、建筑等领域，是因为这种结构能够赋予复合材料良好的成形性、能量吸收性好等优点。UHMWPE纤维作为三大高性能纤维之一，是唯一一种密度小于水的纤维，具有模量高、耐气候性和耐化学腐蚀性的特点，但是纤维自身的原因导致纤维与树脂间的粘结力差一直是学者关注的问题。本课题对改性UHMWPE纤维环氧树脂基复合材料的制备工艺和拉伸弯曲性能进行了研究，并采用ABAQUS软件对复合材料的拉伸弯曲性能进行了模拟研究，希望能够为纬编针织复合材料的研究提供一定的理论参考。
　　为实现UHMWPE纱线在电脑横机上的顺利织造，首先将原料UHMWPE复合长丝进行加捻和防静电处理，然后在横机上通过反复调整织造工艺参数，成功织造出合格的纬平针织物。第一种方法是对织物进行化学改性处理，即对UHMWPE表面进行改性处理，处理液配方是乙酸∶硫酸∶水(WAS)=20∶25∶2，处理温度是25℃，通过改变处理时间0/3/9/15/30(WAS-0/3/9/15/30)分钟来控制处理效果，探究了处理时间对纤维的力学性能、表面形态、接触角和与树脂之间粘结力等的影响，制备工艺选用能够实现树脂对纤维良好浸润的VARTM成型工艺，成功制备出UHMWPE纤维环氧树脂基复合材料，最后研究了对复合材料的拉伸弯曲性能的影响。对五种不同处理效果的UHMWPE纤维环氧树脂基复合材料的拉伸弯曲性能进行测试，通过对纤维表面、树脂表面、应力-应变曲线等分析，得出拉伸性能:WAS-9＞WAS-15＞WAS-30＞WAS-3＞WAS-0，弯曲性能:WAS-9＞WAS-15＞WAS-3＞WAS-30＞WAS-0。
　　第二种方法是进行辐射改性纤维结合KH550+超声波改性EP的复合改性（RKU），即首先对UHMWPE纤维进行表面辐射改性，然后复合材料的树脂基体GCC-135环氧树脂用KH550+超声波进行改性，通过改变KH550的浓度0/1/2/2.5/3％（RKU-0/1/2/2.5/3）来控制复合改性效果，对五种不同处理效果的UHMWPE纤维环氧树脂基复合材料的拉伸弯曲性能进行测试，通过对纤维表面、应力-应变曲线等分析，得出当KH550的浓度为1％时纬平针织复合材料的总体力学性能最好。通过两种方法的比较，第二种复合改性（RKU）方法更为优异。
　　采用有限元分析软件ABAQUS对不同处理条件下的复合材料拉伸弯曲性能进行了模拟研究。将模拟结果与实验结果进行比较，复合材料的拉伸弯曲形式和试样数值与试验结果比较接近，破坏受力形式大致相同，验证了实际实验的可行性和合理性，为进一步复合材料的力学性能研究做了铺垫。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 纬编针织复合材料的概况

1．2．1 纬编针织复合材料的特点及发展

1．2．2 纬编复合材料的性能研究

1．2．3 纬编针织复合材料的应用领域

1．3 超高分子量聚乙烯纤维的概况

1．3．1 超高分子量聚乙烯纤维概述

1．3．2 超高分子量聚乙烯纤维的性能

1．3．3 超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料的应用

1．4 UHMWPE纤维表面改性处理

1．5 树脂改性处理

1．5．1 化学交联改性法

1．5．2 物理改性处理

1．5．3 不同改性处理工艺的对比分析

1．5．4 改性制备工艺的选择-液体氧化处理法

1．5．5 复合改性制备工艺的选择-辐射引发接枝处理法+硅烷偶联剂交联+超声波搅拌

1．6 纺织复合材料的有限元研究

1．7 本课题研究的主要内容

第二章 UHMWPE纤维纬平针织复合材料的制备

2．1 UHMWPE纱线的制备

2．1．1 实验原料

2．1．2 UHMWPE纤维的加捻处理

2．2 UHMWPE纬编针织物的织造

2．2．1 UHMWPE纬编针织物结构设计与织造前期准备

2．2．2 UHMWPE纬编针织物的织造过程

2．3 织物前处理

2．4 成型工艺的选择

2．4．1 树脂体系的选择

2．4．2 UHMWPE纬编针织复合材料的制备

2．5 复合材料的基本参数

2．6 本章小结

第三章 改性UHMWPE纤维复合材料的拉伸弯曲性能测试与分析

3．1 UHMWPE纤维表面改性

3．2 UHMWPE纤维改性结果与分析

3．2．1 UHMWPE纱线与树脂之间粘结力测试

3．3 UHMWPE环氧树脂基复合材料拉伸弯曲性能测试

3．3．1 UHMWPE环氧树脂基复合材料拉伸性能测试

3．3．2 UHMWPE环氧树脂基复合材料弯曲性能测试

3．3．3 UHMWPE环氧树脂基复合材料拉伸弯曲性能测试结果分析

3．4 本章小结

第四章 复合改性UHNIWPE／EP复合材料的拉伸弯曲性能测试与分一析

4．1 实验材料及方法

4．2 拉伸弯曲性能测试与分析

4．2．1 拉伸弯曲性能试验方法与原理

4．3 拉伸试验结果与对比分析

4．4 弯曲性能试验方法与原理

4．5 两种改性方法对比

4．6 本章小结

第五章 UHMWPE／环氧树脂复合材料拉伸弯曲性能的模拟研究

5．1 基本假设

5．2 有限元模型的建立

5．2．1 材料属性设置

5．2．2 创建分析布步边界条件

5．2．3 网格划分

5．2．4 提交作业并分析结果

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 不足和展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢