HAP／HDPE／UHMWPE复合材料的制备和表征

通过化学共沉淀-水热合成法制备纳米级羟基磷灰石(HAP),再用自制模具制备HAP/高密度聚乙烯(HDPE)/超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)复合材料。通过扫描电镜观察、X射线衍射分析、热重分析、燃烧实验以及力学性能测试,研究HAP/HDPE/UHMWE复合材料的微观结构和力学性能。研究结果表明:通过口模挤出可使HDPE分子链在应力作用下伸直取向,大量平行于长轴且紧密排列的微纤维形成。UHMWPE的加入可以改善材料的微观结构,增加材料的串晶互锁结构。而HAP和聚乙烯之间只是机械地混合在一起,呈层状结构,HAP被聚乙烯组分紧紧包裹在一起,且在同一样品中HAP含量比较均匀;随着HAP含量增加,拉伸强度和抗弯强度下降,分别从170.7 MPa和160.8 MPa下降到99.2 MPa和94.3 MPa,而弹性模量有所增加,从4.9 GPa上升到5.9 GPa。

高性能纤维叠层的抗破片冲击性能研究

为了获得高性能纤维叠层防护材料的抗破片冲击性能,设计并开展了弹道冲击试验,对芳纶Ⅲ纤维无纬布和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维无纬布在不同叠层方式下的复合材料靶片进行研究。结果发现:芳纶Ⅲ纤维无纬布在破片冲击过程中表现出较好的抗剪切性能,UHMWPE纤维无纬布则在破片冲击过程中表现出较好的抗拉伸性能;2种无纬布2:2层数交替叠层方式的复合材料靶片抗破片冲击性能优于3∶3、1∶1、4∶4层数交替叠层方式;芳纶Ⅲ纤维无纬布和UHMWPE纤维无纬布的质量比为1∶2时,其复合材料靶片抗破片冲击性能最佳;迎弹面为芳纶Ⅲ纤维无纬布的靶片比迎弹面为UHMWPE纤维无纬布的靶片具有更好的抗破片冲击性能。研究结果可为个人防弹、防爆等防护装备的结构设计提供实验和理论依据。

UHM WPE/HDPE层合板拉伸损伤扩展的有限元数值模拟

为了优化设计PE/PE层合板复合材料和准确评价其性能,必须深入地研究该类材料的损伤破坏机理,进而揭示其损伤扩展规律,预测因损伤的存在对材料刚度、强度等宏观性能的影响。基于拟三维模型的概念,提出了适合于数值模拟PE/PE层合板复合材料力学行为的修正模型。应用此有限元数值模型,对3种准各向同性UHMWPE/HDPE层合板在拉伸载荷条件下的损伤及损伤扩展进行了模拟,对这些材料的破坏机理进行了探讨,并预测了它们的强度。通过试验,可知应用上述模型进行数值模拟所获得的结果与试验数据是吻合的。证明了修正后的有限元数值模型的有效性。

聚乙烯自增强复合材料损伤过程的声发射特征

复合材料在承受外载时,声发射可产生于基体破裂、纤维-基体界面脱粘和纤维断裂等。测定了UHM-WPE/HDPE复合材料在拉伸载荷作用下的声发射(AE)振幅信号。对特殊试样,即预测到断裂有明确方式,如纤维-基体界面脱粘、基体破裂、纤维断裂和分层等的试样,实施加载直至破坏。用扫描电子显微镜(SEM)观测试样的断裂表面,对产生于若干特殊损伤类型的AE信号进行了鉴别。在相同加载条件下,完成了不同种类的UHM-WPE/HDPE准各向同性层合板声发射检测。结果在特殊试样损伤类型与声发射信号事件振幅之间建立了对应关系,揭示了上述各种准各向同性层合板损伤扩展过程的AE特征与损伤破坏机制。各种准各向同性层合板试样的声发射事件累计数对拉伸应力关系曲线相异,其相同损伤类型发生时所对应的拉伸载荷水平不等,表明它们的铺设角度和铺设顺序对损伤演变过程有显著的影响。结果证实了它们的最终破坏由严重层间分层造成。

UHMWPE/LLDPE复合材料层板低速冲击及冲击后压缩性能实验研究

采用落锤冲击装置及万能材料试验机分别对单向带、平纹织物、单层正交三向织物三种不同结构织物超高分子量聚乙烯(UHMWPE)/LLDPE复合材料层板进行低速冲击和冲击后压缩试验,获得了载荷-位移曲线,通过分析其冲击损伤模式,对比讨论了冲击后剩余压缩强度。结果表明:单层正交三向织物UHMWPE/LLDPE载荷-位移曲线圆滑,仅有塑性变形产生,同时吸收能量和冲击后剩余压缩强度值最大,具有优异的抗冲击能力。

热塑性树脂基体对超高分子量聚乙烯纤维复合材料力学性能和抗弹道侵彻性能的影响

选用热塑性的水性橡胶、水性聚酯、水性聚氨酯作为基体树脂,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维,采用热压工艺制备单向正交结构的防弹先进复合材料层压板。基于弹道侵彻试验和力学试验研究热塑性树脂基体对防弹先进复合材料弹道响应及力学行为的影响。研究结果显示:相比单一的热塑性树脂体系,以热塑性树脂混合体系作为基体制备的UHMWPE复合材料具有更优异的抗弹道侵彻性能、更高的拉伸破坏强度和层间剪切破坏强度,这是由于混合树脂体系中的UHMWPE纤维具有更高的可利用效率;此外,基于横向压缩诱导的间接张力机制和弹道侵彻下的大变形行为诱导的膜力效应,UHMWPE纤维复合材料的抗弹道侵彻性能与其准静态下的拉伸断裂强度、层间剪切强度呈现正相关的关联机制。

SiC-超高分子量聚乙烯仿生柔性叠层结构防弹性能关键影响因素的仿真与试验

基于仿生学原理构建一种鱼鳞状的柔性叠层防护装具,仿生鳞片为中间厚边缘薄的双层复合结构,上下层分别为SiC陶瓷和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。采用ANSYS LS-DYNA软件的显式分析方法模拟了SiC-UHMWPE柔性叠层结构的防弹性能,主要从装具变形量、应力传递规律、能量耗散机制和子弹残余速度展开分析,重点研究了支撑点数量、曲率半径及覆盖角对防护性能的影响。鳞片单排与多排排列时背面垫料的凹陷深度仿真结果分别为32.52 mm和24.73 mm。本文依据NIJ标准Ⅲ级要求对柔性防护装具进行实弹测试。结果表明,试件在多发子弹侵彻后,出现局部两点支撑的不利情形。该成果将对新型柔性防护装具的设计和制备具有重要意义。