纖維增強(qiáng)復(fù)合材料( fiber reinforced po lymer/plastic, FRP) 是由纖維材料與基體材料按一定比例混合, 并經(jīng)過一定工藝復(fù)合形成的新型高性能復(fù)合材料. 這種材料自 20 世紀(jì) 40 年代問世以來, 在航空、航天、 船舶、 汽車、 化工、 醫(yī)學(xué)和機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用. 常用 FRP 的基體為樹脂、 金屬、 碳素、陶瓷等. 增強(qiáng)纖維種類有玻璃纖維、 對位芳綸纖維、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維、 碳纖維、 陶瓷纖維、玄武巖纖維、PBO( 聚對亞苯基苯并雙噁唑) 纖維以及金屬纖維等.

      對位芳綸纖維是一種由剛性分子鏈形成的高結(jié)晶度、高取向度材料, 具有相對密度小、耐疲勞、耐剪切等一系列優(yōu)異性能, 是理想的增強(qiáng)纖維材料. 對位芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高彈性模量、耐腐蝕、質(zhì)量輕和疲勞強(qiáng)度高等優(yōu)異的性能, 廣泛用于國防、 航空、 航天、 造船、 體育器材、 汽車、 建筑等行業(yè).

      本文在不同的工藝條件下制備水性聚氨酯基對位芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合帶, 對制備的纖維復(fù)合帶進(jìn)行力學(xué)性能測試, 并且運(yùn)用 Weibull 統(tǒng)計(jì)方法對測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 從而確定最佳制備工藝條件.

1  試  驗(yàn)

1. 1  試驗(yàn)原料

      對位芳綸纖維 T echnora, 1 670 dtex( 兩束并股使用, 并股后的線密度為 3340 dtex) , 強(qiáng)度 2628. 14MPa, 日本帝人公司; 水性聚氨酯溶液, 不揮發(fā)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%,合肥恒天新材料公司 .

1. 2  試驗(yàn)設(shè)備

      試驗(yàn)設(shè)備自制, 示意圖如圖 1 所示.

1. 3  復(fù)合帶的制備

      將對位芳綸纖維在預(yù)浸槽中預(yù)浸水性聚氨酯溶液后通過加熱箱, 除去水分, 然后通過壓輥在一定壓力下壓制成帶狀, 即得到對位芳綸纖維復(fù)合帶. 調(diào)節(jié)制備工藝為

      ( 1) 在160, 170, 180, 190, 200  5 個(gè)溫度下分別制備復(fù)合帶;

      ( 2) 纖維以不同速率通過加熱箱, 速度分別選擇為 0. 24, 0. 36, 0. 48, 0. 60 m/ min;

      ( 3) 纖維預(yù)浸束通過主動輪時(shí), 砝碼賦予其一定的成形壓力, 壓制成帶狀, 砝碼壓力分別選擇為13. 1, 16. 3, 19. 6, 22. 9, 26. 1 M Pa.

      注: 由于砝碼質(zhì)量單位為 kg, 在比較砝碼壓力對強(qiáng)度影響時(shí), 需將其換算成為常用單位 M Pa, 主動輪凹槽寬度為 b= 6 mm , 假定質(zhì)量為 m 的砝碼施加在長度l = 1 mm 的復(fù)合帶上, 由式( 1) 可以計(jì)算砝碼壓力 p :

1. 4  強(qiáng)度測試

      使用 DXLL
20000 通用材料試驗(yàn)機(jī)( 上?；ぱb備有限公司) , 力值 1~ 20 000 N, 伸長 1 000 mm . 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)長度為 250 mm, 拉伸速率為200 mm/ min, 分別測定出不同工藝條件下制備得到的復(fù)合帶的強(qiáng)度. 強(qiáng)度計(jì)算式:

      a= F/ A ( 2)

      式中: F 為最大斷裂力; A 為復(fù)合帶截面積.

1. 5  復(fù)合帶的表面形貌觀察

      選取長度為 1~ 1. 5 cm 的復(fù)合帶, 表面噴覆厚度為 5~ 10 nm 的 Au, 然后采用 H ITACH I 生產(chǎn)的S
4800 場發(fā)射掃描電子顯微鏡( SEM ) 研究復(fù)合帶表面的微觀形貌, 放大倍數(shù)范圍為 20~ 800 000 倍,加速電壓為 0. 5~ 30 kV.

2  結(jié)果與討論

      對于水性聚氨酯基芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合帶而言,由于水性聚氨酯在整個(gè)復(fù)合材料體系中起到膠黏劑的作用, 且作為基體, 其力學(xué)性能相對于對位芳綸纖維差了幾個(gè)數(shù)量級, 因此整個(gè)復(fù)合帶的力學(xué)性能是受纖維控制的, 而對位芳綸纖維的強(qiáng)度服從Weibull 統(tǒng)計(jì)分布. 因此, 在對不同工藝條件下加工的復(fù)合帶力學(xué)性能進(jìn)行測試后, 通過 Weibull 分布模型對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 從而可獲得最佳制備工藝.

2. 1  復(fù)合帶強(qiáng)度的 Weibull 分布理論

      1951 年, WEIBULL在弱節(jié)理論
基礎(chǔ)上, 提出了 Weibull 強(qiáng)度分布理論, 其內(nèi)容是指脆性材料中存在許多裂紋, 它們彼此獨(dú)立互不干涉, 斷裂始于連接最弱的地方. 根據(jù) Weibull 強(qiáng)度分布理論, 進(jìn)而提出了 Weibull 統(tǒng)計(jì)理論, 且 Weibull 統(tǒng)計(jì)理論應(yīng)用于脆性材料的強(qiáng)度分散性分析的合理性和優(yōu)越性已得到眾多試驗(yàn)和事實(shí)驗(yàn)證.

      纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中總存在一些微觀或細(xì)微的缺陷源, 使得復(fù)合材料在強(qiáng)度試驗(yàn)中表現(xiàn)出較大的分散性, 迫使人們選擇一些統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、強(qiáng)度預(yù)測等. 根據(jù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的破壞特點(diǎn), 提出了復(fù)合材料強(qiáng)度基本環(huán)
的概念,應(yīng)用最弱環(huán)理論描述復(fù)合材料的強(qiáng)度分布, 得出單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度分布服從 Weibull 分布. 

2. 2  加工溫度的選擇

      用水性聚氨酯溶液對對位芳綸纖維 T echno ra進(jìn)行涂布后, 需要對其進(jìn)行高溫?zé)崽幚? 快速除去水分, 使聚氨酯樹脂固化與纖維復(fù)合成型, 但是其加工溫度不能超過 T echnor a 纖維的熔點(diǎn), 避免纖維熔融.

      固定纖維走絲速度為 0. 36 m/ min, 砝碼壓力為16. 3 M Pa, 改變加工溫度, 得到復(fù)合帶強(qiáng)度線性回歸分析圖如圖 2 所示, 由線性擬合方程計(jì)算得到的復(fù)合帶統(tǒng)計(jì)應(yīng)力0和 k 值如表 1 所示.

      從圖 2 可以看出, 每個(gè)回歸分析圖上的圖形近似直線, 說明運(yùn)用 Weibull 統(tǒng)計(jì)方法來處理復(fù)合帶強(qiáng)度是合適的. 由表 1 可知, 統(tǒng)計(jì)應(yīng)力0先隨著加工溫度的升高而上升, 當(dāng)加工溫度達(dá)到 180 時(shí)達(dá)到最大, 隨后下降. k 值隨著溫度的升高先上升后下降, 其在 190處 數(shù) 值 最 大. 一 般 而 言, 通 過Weibull 統(tǒng)計(jì)分布選取工藝, 最佳工藝條件是力學(xué)性能達(dá)到最佳, 而且 k 值也要越大越好. 因?yàn)?k 值越大, 說明強(qiáng)度分布越窄, 均一性越好. 具體到本文中, 180 為復(fù)合帶的最佳加工溫度. 雖然該溫度下的 k 值要低于 190 說明 180 時(shí)強(qiáng)度分布比 190 的強(qiáng)度分布寬, 分散性稍大, 但是其0 卻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 190 時(shí)的0 , 因此選擇 180 作為加工溫度.

2. 3  砝碼壓力的選擇

      纖維束黏附著水性聚氨酯經(jīng)過加熱箱后, 膠黏劑受熱固化并去除水分, 將纖維束中的纖維進(jìn)行黏合. 然后通過壓輥, 施加一定的壓力將其壓制成帶.固定加工溫度為180, 走絲速度為 0. 36 m/ min,改變砝碼壓力, 得到復(fù)合帶強(qiáng)度線性回歸分析圖如圖 3所示, 由線性擬合方程計(jì)算得到的復(fù)合帶統(tǒng)計(jì)應(yīng)力0和k 值如表2 所示.

      由表2 可知, 統(tǒng)計(jì)應(yīng)力0隨著砝碼壓力的增大先增大后減小, 當(dāng)砝碼壓力為 16. 3 MPa 時(shí), 0達(dá)到最大; 而 k 值呈先降低后升高的趨勢. 綜合0與 k 值來看, 雖然0峰值出現(xiàn)在 16. 3 M Pa 處, 但是 16. 3 MPa時(shí)對應(yīng)的 k 值卻是最小的; k 值在 26. 1 MPa 處最大, 但其對應(yīng)的0卻是最小的. 當(dāng)壓力為 19. 6 MPa時(shí), 其0并不高于 16. 3 M Pa 處, 但兩者差距并不很大, 對應(yīng)的 k 值卻比 16. 3 MPa 處的 k 值高得多; 同時(shí) 19. 6 M Pa 處的 k 值雖然比 26. 1 M Pa 處的小, 但其對應(yīng)的0 卻比 26. 1 M Pa 處的高得多, 因此應(yīng)該選擇 19. 6 M Pa 的砝碼壓力作為最佳工藝條件.

      圖 4 為不同成型壓力下復(fù)合帶表面掃描電鏡圖, 隨著砝碼壓力的上升, 纖維與聚氨酯間分散均勻性增加, 當(dāng)達(dá)到一定成型壓力時(shí), 纖維均勻分散最好( 圖4c) , 對復(fù)合帶強(qiáng)度貢獻(xiàn)也就越大; 當(dāng)壓力繼續(xù)上升時(shí), 預(yù)浸束受到的壓力過大, 纖維在強(qiáng)大壓力作用下向兩邊集中, 導(dǎo)致復(fù)合帶厚度不均一, 其中的纖維排布不均, 出現(xiàn)中間薄兩邊厚的狀況( 圖 4(e) ,從而嚴(yán)重影響纖維的性能.

2. 4  走絲速度的選擇

      纖維束黏附著水性聚氨酯以一定的速度經(jīng)過加熱箱, 纖維走絲速度的大小也會影響復(fù)合帶的力學(xué)性能.固定加工溫度為 180, 砝碼壓力為 19. 6M Pa, 改變走絲速度, 得到復(fù)合帶強(qiáng)度線性回歸分析圖如圖 5 所示, 由線性擬合方程計(jì)算得到的復(fù)合帶統(tǒng)計(jì)應(yīng)力0和 k 值如表 3 所示.

      增大而逐漸增大, 在纖維走絲速度為 0. 36 m/ m in 時(shí)達(dá)到最大, 隨后隨著走絲速度的增大卻逐漸減小. 分析 k 值時(shí)發(fā)現(xiàn)其也大致呈這樣的規(guī)律, 且 k 值最大值也出現(xiàn)在纖維走速為 0. 36 m / min 時(shí). 從理論上來看, 這是由于水性聚氨酯樹脂在180的加工溫度下, 需要一定的時(shí)間受熱固化, 完成黏結(jié)過程, 如果停留的時(shí)間過短, 則樹脂還未完全固化, 無法起到黏結(jié)作用; 如果在其中停留時(shí)間過長, 雖然樹脂已經(jīng)完成固化, 但是纖維在高溫環(huán)境下受熱時(shí)間過長, 對其自身強(qiáng)度也有影響, 從而會降低整個(gè)復(fù)合帶的強(qiáng)度.因此綜合考慮, 選取 0. 36 m/ min作為纖維的走絲速度.

3  結(jié)  語

      ( 1) 通過 Weibull 統(tǒng)計(jì)方法研究不同條件下制備得到復(fù)合帶的統(tǒng)計(jì)應(yīng)力, 從而確定最佳復(fù)合帶制備工藝. 從 Weibull 統(tǒng)計(jì)圖上發(fā)現(xiàn), 各圖線性回歸近似直線, 說明運(yùn)用 Weibull 統(tǒng)計(jì)方法來處理復(fù)合帶強(qiáng)度是合適的.

      ( 2) 隨著加工溫度的升高, 復(fù)合帶的統(tǒng)計(jì)應(yīng)力0先增大后減小, k 值也先增大后減小, 綜合考慮0與 k 值, 復(fù)合帶最佳加工溫度為 180 .

      ( 3) 隨著砝碼壓力的增大, 復(fù)合帶統(tǒng)計(jì)應(yīng)力
0先增大后減小, k 值先減小后增大, 綜合考慮0與 k值, 復(fù)合帶最佳成型壓力為 19. 6 M Pa.

      ( 4) 隨著纖維走絲速度的增大, 復(fù)合帶的統(tǒng)計(jì)應(yīng)力0先增大后減小, k 值也先增大后減小, 綜合考慮
0與 k 值, 最佳纖維走絲速度為 0. 36 m/ min.

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