空气介质阻挡放电等离子体对国产芳纶ⅢA表面改性的研究

采用空气介质阻挡放电等离子体对国产芳纶ⅢA进行表面处理,优化了其处理工艺。用SEM、XPS等方法研究了处理前后纤维表面形态和化学状态的变化,通过短梁剪切试验评价了芳纶ⅢA/环氧复合材料的抗层间剪切强度。结果表明:经空气等离子体处理后芳纶ⅢA表面粗糙度增加,极性增强,纤维力学性能无明显变化,芳纶ⅢA/环氧复合材料的抗层间剪切强度提高了18%。

芳纶Ⅲ纸基复合材料的制备与性能研究

以芳纶Ⅲ短切纤维与间位芳纶沉析纤维为原料,使用湿法成形技术,制备芳纶Ⅲ纸基复合材料,研究芳纶Ⅲ短切纤维长度和占比对芳纶Ⅲ纸基复合材料匀度、抗张强度、弹性模量、断裂伸长率、撕裂度的影响规律。结果表明,在芳纶Ⅲ短切纤维长度6 mm,占比50%时,芳纶Ⅲ纸基复合材料的综合力学性能较好,其中抗张强度为2.66 kN/m,弹性模量为3 136 MPa,断裂伸长率为1.78%,撕裂度为2 912 mN。纸基复合材料拉伸断裂面因芳纶Ⅲ短切纤维长度和占比的不同而呈现不同的形状。相比于间位芳纶纸,芳纶Ⅲ纸基复合材料具有更好的高温尺寸稳定性,有望在复合增强领域进一步提升芳纶的应用前景。

芳纶Ⅲ纸及蜂窝的性能研究

实验以自制芳纶Ⅲ纸和聚酰亚胺树脂为原料,制备不同上胶量的芳纶Ⅲ纸蜂窝格壁材料,并制备芳纶Ⅲ纸蜂窝。实验结果表明,芳纶Ⅲ纸的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率均随着树脂上胶量的增加先上升后下降,撕裂度随着上胶量的增加先大幅度下降后缓慢上升,综合力学性能在上胶量为29.80%时达到最优,其中拉伸强度为102.7 MPa,弹性模量为6736 MPa,断裂伸长率为1.78%。芳纶Ⅲ纸蜂窝经过异面压缩破坏后,蜂窝结构的正六边形孔格发生了较小程度的变形,孔格壁产生较小幅度的形变和脱胶现象,表面胶层发生开裂。芳纶Ⅲ纸蜂窝的异面压缩强度实测值与塑性坍塌计算模型所得的理论值对应性较好。

芳纶Ⅲ无纬布在柔性防弹衣中的应用

为了研制轻量化、舒适以及人机工效性好的防弹织物,从提升柔性防弹衣的防弹性能入手,通过对2层芳纶Ⅲ无纬布靶板、4层芳纶Ⅲ无纬布靶板、芳纶Ⅲ机织物靶板、2层芳纶Ⅱ无纬布靶板和4层芳纶Ⅱ无纬布靶板5种防弹材料进行弹道冲击试验,从弹道极限V 50值、比吸能值、凹陷深度及弹着点形貌4个方面进行对比分析,在此基础上对4层芳纶Ⅲ无纬布靶板进行结构优化。结果表明:当面密度相近时,4层纤维铺层材料的防弹性能比2层纤维材料的好;4层芳纶Ⅲ无纬布靶板的防弹性能最好;无纬布在受到弹道冲击时应力集中显著,纤维以剪切断裂为主要损伤模式;机织物在受到弹道冲击时,主要以拉伸断裂为主要损伤模式;将芳纶Ⅲ机织物放置于靶板迎弹面一侧、4层芳纶Ⅲ无纬布放置于贴身面一侧的结构有利于提升复合型防弹材料的防弹性能;当芳纶Ⅲ机织物与4层芳纶Ⅲ无纬布的质量比为1∶3时,其防弹性能最好。

成型过程中的芳纶Ⅲ纤维聚集态结构衍变

通过电子强伸仪、广角X射线衍射仪(WAXD)、声速取向仪及扫描电镜(SEM)等测试仪器,分析探讨了芳纶Ⅲ树脂、原丝、成品丝的力学性能与聚集态结构的差异,并与生产工艺相联系。讨论了芳纶Ⅲ纤维成型过程中聚集态结构衍变过程,探讨了芳纶Ⅲ具有优异力学性能的根本原因。通过X射线衍射分析,发现芳纶Ⅲ树脂本身是非晶态,在原丝纺制阶段结晶也进行得不完善且结晶度低,但经过热处理后成品丝具有较高的结晶度且晶粒变大,但晶面间距保持不变;取向度测试表明,芳纶Ⅲ纤维在原丝阶段就有较高的取向度,经热处理后取向度有所提高;SEM测试表明,芳纶Ⅲ成品丝比原丝的结构均一致密,从而反映了热处理工艺在芳纶Ⅲ纤维生产过程中的重要性。

芳纶Ⅲ与Kevlar-49纤维组成、结构与力学性能的对比

通过红外光谱和元素分析对芳纶Ⅲ和Kevlar-49纤维的进行对比研究得出,芳纶Ⅲ纤维中存在含氮的芳杂环结构,并结合X射线衍射方法分析芳纶Ⅲ和Kevlar-49纤维的晶体结构,其中芳纶Ⅲ纤维的结晶度为30.44%,明显低于Kevlar-49。芳纶Ⅲ力学性能优于Kevlar-49,其拉伸强度、弹性模量和断裂延伸率分别为4250MPa、139MPa和3.2%。

芳纶Ⅲ纤维及其复合材料制品研究进展

介绍了国产芳纶Ⅲ纤维的制作过程、力学性能和表面状态,复合材料性能采用NOL环、单向板及其复合材料容器进行试验。结果表明,芳纶Ⅲ纤维复合材料压力容器性能水平已达到国外同类纤维性能水平。芳纶Ⅲ纤维复合材料可以应用于高性能的航天产品,是我国目前可以开展工程应用的最高水平的国产纤维复合材料。

热氧老化对芳纶Ⅲ纤维结构与性能的影响

采用高温干燥箱在230、250、275、300℃下制备了不同老化状态的芳纶Ⅲ样品,并对老化试样进行了单丝拉伸测试及相应的结构分析。结果表明,在实验温度范围内,芳纶Ⅲ的强度保留率随热氧老化时间的延长和温度的升高而降低;TG和IR分析表明,芳纶Ⅲ的化学结构未随热氧老化处理而发生明显改变;通过X射线衍射分析,发现纤维聚集态结构随温度升高发生重排;SEM测试表明,经过热氧老化纤维的断裂方式从劈裂断裂变成了脆性断裂;最后,结合纤维聚集态结构模型,解释了老化前后纤维力学性能下降的原因及原纤劈裂到脆性断裂的机理。

氟化石墨烯结构表征及接枝增强芳纶Ⅲ薄膜的力学性能

首先对自制的氟化石墨烯(FG)进行结构与性能表征。然后采用拥有优异耐热性和分散性的FG对芳纶Ⅲ(PA)薄膜进行共混改性,提高其力学性能。PA分子链的咪唑环上的氮原子因弱碱性而具备亲核反应能力,有望取代氟化石墨烯的氟原子形成C-N键,进而有效增强聚合物基体。然而,研究发现,PA胶液中的HCl会与咪唑环络合,降低咪唑环的反应活性。吡啶的加入中和了HCl的同时也能够催化反应,促进C-N的生成。红外光谱结果表明,加入吡啶的FG-PA复合体系能够形成基体与填料间的C-N共价键接。同时,加入吡啶所制得的FG-PA共混薄膜相比未加入吡啶的拉伸强度增加了25.6%。

芳纶Ⅲ纤维拉伸性能的实验研究

测试了芳纶Ⅲ纤维的拉伸性能等，并与F-12和Kevlar-49纤维进行了对比。对由芳纶Ⅲ纤维与环氧树脂基体复合成型的单向纤维增强环形试样，测试了其拉伸强度、弹性模量和层间剪切强度，结果表明：芳纶Ⅲ纤维单向纤维复合材料的拉伸强度和弹性模量与F-12纤维相当，分别比Keylar-49纤维要高出约25．7％和24．7％；但早期的芳纶Ⅲ纤维与环氧树脂基体的界面结合性较差，层间剪切强度仅为32．0～35．2MPa。

氨气等离子体改性处理芳纶Ⅲ表面的研究

以氨气为反应气体,对芳纶Ⅲ进行等离子体表面改性处理,研究了等离子体处理时间和处理功率对纤维表面性能的影响;采用X射线光电子能谱、场发射扫描电镜、接触角和微脱粘实验等测试方法对改性前后纤维表面元素组成、形貌、润湿能力以及界面粘结强度进行表征。结果表明:芳纶Ⅲ经过氨气等离子体改性后,表面含氮极性基团的含量增加,粗糙程度增大,润湿能力得到明显的改善;当氨气等离子体处理时间为15 min,功率为100 W时,芳纶Ⅲ与环氧树脂的界面粘结强度从处理前的12.9 MPa提高到18.2 MPa,与水的接触角由处理前的71.4°下降到46.8°。

国产芳纶Ⅲ纤维复合材料层间剪切性能研究

通过不同官能团数的环氧树脂复配得到4种性能不同的树脂配方,制备了复合材料NOL环,探讨了基体性能、工艺参数对复合材料层间剪切性能的影响。结果表明:树脂体系的韧性对复合材料NOL环的层间剪切性能影响较大,其中韧性较好的R32体系的层间剪切强度达到49MPa,而韧性较差的R34体系只有37MPa;工艺参数对层间剪切强度影响也较明显,R3体系含胶量为32%,缠绕张力为20N时,其层间剪切强度可达到51.8MPa。

基体性能对芳纶Ⅲ纤维复合材料力学性能的影响

设计了三种环氧树脂基体,研究了基体性能对芳纶Ⅲ纤维复合材料力学性能的影响,对比分析了不同韧性的两种复合材料层间剪切破坏过程的声发射特性参数。结果表明:设计的R1、R2、R3三种树脂基体其韧性为R1>R2>R3;芳纶Ⅲ纤维复合材料层间剪切强度分别为49 MPa、44.8 MPa、40.1 MPa,层间剪切性能随树脂基体韧性的增加而增大;声发射实验表明,基体韧性增加,复合材料急剧损伤得到延迟,声发射事件数明显减少。

改进型芳纶Ⅲ纤维及其复合材料性能

以改进型芳纶Ⅲ纤维(F-3A)的研制及工程化应用为背景,开展了F-3A纤维及其复合材料性能研究,采用改进型环氧树脂体系与F-3A纤维复合进行了NOL环及其全尺寸复合材料缠绕构件试验考核。试验结果表明,F-3A纤维的力学性能优异,工艺性能稳定,能够满足复合材料结构工程应用要求。

芳纶Ⅲ纤维及其混杂碳纤维复合材料的压缩性能研究

对比研究了芳纶Ⅲ纤维复合材料、芳纶Ⅲ纤维/T800碳纤维混杂复合材料、T800碳纤维复合材料单向板压缩性能,以及三种状态下缠绕的150 mm容器轴压性能。结果表明:混杂复合材料压缩强度和模量随混杂比(VCF)的增大而增加,当VCF为28.5%时,混杂复合材料单向板压缩强度比芳纶Ⅲ纤维复合材料提高57%,压缩模量提高20.9%;混杂复合材料150mm容器(VCF=46%)轴压破坏载荷达到138.6 k N,比芳纶Ⅲ纤维复合材料150 mm容器的轴压破坏载荷提高18.5%,但仍为混杂负效应。

空气等离子体处理芳纶Ⅲ的性能研究

比较了国产芳纶Ⅲ与芳纶1414以及进口Twaron纤维的表面性能;采用空气等离子体处理技术对芳纶Ⅲ的表面进行改性,研究了空气等离子体处理工艺条件以及处理前后芳纶Ⅲ的结构与性能的变化。结果表明:国产芳纶Ⅲ的表面存在不均匀的浅沟槽,比芳纶1414和Twaron纤维表面粗糙,其表面浸润性较差,但却优于芳纶1414和Twaron纤维;空气等离子体处理芳纶Ⅲ的最佳条件为放电功率65 W,空气放电气压2 000 Pa,处理时间11 min,在此条件下处理的芳纶Ⅲ表面接触角由未处理时的55.8°降至41.5°,纤维的浸润性能得到改善,而其力学性能和大分子结构不受影响。

芳纶Ⅱ与芳纶Ⅲ性能测试及对比分析

分别比较测试了芳纶Ⅱ与芳纶Ⅲ的基本物理特性和力学性能。结果表明:芳纶Ⅱ纤维较芳纶Ⅲ纤维表面光滑,芳纶Ⅲ纤维表面存在大量的微孔和微包;芳纶Ⅲ纤维与芳纶Ⅱ纤维的密度相近;芳纶Ⅲ纤维的含水率比芳纶Ⅱ提高了10.31%;在力学性能方面,芳纶Ⅲ单纤和复丝均优于芳纶Ⅱ,但稳定性不及芳纶Ⅱ。芳纶Ⅱ纤维中微孔和微包对其复合材料力学性能的影响需要进一步研究。

氨气等离子体接枝环氧涂层改性芳纶Ⅲ表面

采用氨气等离子体接枝环氧涂层工艺对芳纶Ⅲ进行表面改性,采用红外光谱、扫描电镜、原子力显微镜等对改性前后纤维表面的化学组成、形貌、粗糙度、浸润性能进行了研究。结果表明:经氨气等离子体接枝环氧涂层处理后,环氧树脂涂层能够以化学键形式接枝到芳纶Ⅲ表面,同时纤维表面的粗糙度有了明显的增加,浸润性得到显著的改善。

国产高强高模芳纶Ⅲ纤维的拉伸性能测定

对11批次国产高强高模芳纶Ⅲ纤维进行了拉伸性能检测,结果表明：9批次的芳纶单束纱拉伸强度在4.78~5.32 GPa之间,拉伸弹性模量在123.71~129.26 GPa之间,断裂延伸率在3.87%~4.20%之间,离散系数均小于5%;2批次的合股束纱拉伸强度在4.96~5.02 GPa之间,拉伸弹性模量在106.7~107.7 GPa之间,断裂延伸率为4.60%,离散系数均小于5%,证明国产芳纶Ⅲ纤维已经具备了较好的力学性能。

国产芳纶Ⅲ缠绕环形压力容器研制

在复合材料环形容器纤维缠绕原理的基础上开展了环形容器内衬成型、国产芳纶Ⅲ预浸胶带缠绕与干纱缠绕再浸胶结构层成型技术研究,探索出纤维缠绕环形容器可行的成型工艺方法。研制结果表明,在砂芯模上粘贴丁腈橡胶生片,经高温硫化和表面打磨后能保证在缠绕过程中外型面良好;按预浸胶带缠绕工艺方法成型的芳纶Ⅲ环形压力容器爆破压强为31.7 MPa,特性系数达到20.44 km。