聚乙烯自增强复合材料的制备与力学性能研究

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1、摘要超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维具有优异的综合性能。由于其原料相对廉价和来源广泛，废料可回收再利用及具有上述特点的缘故，使其作为复合材料增强体在复合材料领域占有重要的地位。本研究采用正交试验方案，获得优化的UHMWPE／PE层合板复合工艺．在UHMWPE／PE复合材料结构设计时，纤维含量是决定复合材料拉伸强度和剪切强度的重要因素，可以根据需要设计。复合工艺条件中，温度的影响最大，温度升高有利于提高界面强度，但会对纤维强度造成影响，时间和压力的影响相对较小，因此可选用低温长时间的工艺条件，使复合材料达到良好的综合性能。为了优化设计UHMWPE／PE复合材料层合板

2、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。在求解复合材料力学问题时，通常模拟用数值模型可分为以下三种类型：(1)通过使用平面应变元素，来模拟层合板复合材料的任意横截面，但由于复合材料层合板的力学行为总是具有复杂的三维变形，所以使用平面应变元素的二维模拟是不够的。(2)有人应用经典层合理论，把层合板复合材料简化假定为单一等效刚度板，并通过使用壳单元进行模拟，而此方法不能独立地揭示层内破裂和层间分离的分布及其特征等。(3)通过使用三维实体单元模拟层合板复合材料。很显然，为了得到有效的数

3、值计算结果，网格必须很细，并要求材料具有一定的周期性，计算量相当庞大。随着加载过程，材料内部可能会出现基体开裂、纤维和基体界面的脱粘、纤维断裂、层闻分层等复杂的损伤模式，当采用有限元数值方法模拟这一损伤破坏过程时，针对微结构的任何改变，都必须重新划分单元进行迭代计算，直至结构演化趋于稳定，然后，再增加载荷，进行同样的模拟步骤。这种仿真过程要求计算机容量极大，计算机工作时间很长。所以，目前对真实的多层复合材料层合板的破坏过程进行仿真计算，一般是花费不起的。本文基于拟三维模型的基本概念，对原模型纤维区域的建模作了改进，建立了UHMWPE／PE复合材料层合板的有限元力学模型

4、。将改进的模型运用于模拟UHMWPE／PE复合材料层合板在拉伸应力作用下引起的损伤及其损伤扩展过程，使得不同损伤方式诸如横向开裂和层间分层等能够在同一时间内被模拟，从而揭示了复合材料层合板的损伤破坏机理，预报了层合板铺层顺序和铺设角度的影响，并预测了它们的强度。从研究结果可知，UHMWPE／HDPE准各向同性层合扳的应力一应变关系能以良好的精度数值模拟，发生横向破裂和层间分层的应力水平及层间分层扩展是可以预测的。从UHMwPE／HDPE准各向同性层合板损伤扩展过程来看，虽然层合板的铺层顺序和铺设角度不同，但其单层板开始破裂的顺序相同，即首先从90。层开始发生损伤。但对

5、应上述各种层合板的单层板发生横向破裂、层间分层以及层间分层扩展的拉伸应力值和预测的强度值各不相等，表明层合板损伤产生及其损伤扩展与层合板的铺设角度、铺层顺序密切相关。利用声发射技术，进一步检验改进的有限元力学模型的有效性。应用声发射技术、并结合扫描电子显微镜技术等对聚乙烯自增强复合材料在拉伸载荷作用下的损伤机理进行了研究。结果揭示了在所观察的表征主导损伤机制的模型试样UHMWPE／HDPE层合板损伤类型与声发射信号特性参数——事件振幅之间的内在联系，即uHMwPE／HDPE复合材料层合板损伤类型的纤维一基体界面脱粘、基体塑性变形与破裂、纤维抽拔、纤维断裂和层间分层依次

6、与振幅范围为30dB～45dB(低振幅)、30dB～60dB(低振幅)、60dB～80dB(中等振幅)、80dB～97dB(高振幅)和60dB～85dB(中等振幅)的声发射事件对应相关。这些关系可用于检测表现多损伤方式的UHMWPE／HDPE层合板的损伤演变过程，以进行材料结构完整性评价和预测其使用寿命。同时，此研究结果证明了为鉴别UHMWPE／HDPE复合材料层合板的损伤破坏机制，声发射技术是一种可行而有效的工具。根据已建立的UHMWPE／HDPE复合材料层合板损伤类型与声发射结果——事件振幅之间的对应关系，测定与分析了若干种uHMwPEmDPE准各向同性层合板在拉

7、伸载荷作用下的声发射振幅信号。UHMWPE／HDPE准各向同性层合板[01901451—45]。(A型)、[0／45／一45／90]。(B型)和[45／-45／0／90]。(C型)试样的声发射事件累计数对拉伸应力关系曲线彼此各不相同，它们相同的损伤类型发生时所对应的拉伸载荷水平不等，表明层合板铺设角度和铺设顺序对层合板损伤演变过程有显著的影响。结果揭示了上述材料损伤扩展过程的声发射特征与损伤破坏机制。验证了所建立的有限元力学模型是有效的。关键词：聚乙烯自增强复合材料、有限元法、损伤机制、强度、声发射PreparationandMechanicalPr