d成本玻璃纤维增强抗冲击复合材料研究

第28卷第6期 中国材料进展 v。1．28N。．6 2009年6月 MATERIALSCHINA Jun．2009 堑丝查丝j 新型低成本玻璃纤维增强抗冲击 复合材料研究 郑 威，袁秀梅，王小兵，孔令美 (中国兵器工业集团第五三研究所，山东济南250031) 摘 要：根据VARTM 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 要求， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了含有活性稀释剂的新型环氧树脂体系，并以其粘度、氧指数、复合材料抗冲击性能 和力学性能等为依据优化了其配方。研究了玻璃纤维表面处理对相应复合材料抗冲击性能和力学性能的影响，优化了表面处 理剂的种类及配方。研究 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 了一种新璎3D机织织物VARTM工艺中树脂的流动性。发现采用该织物的复合材料抗冲击性能 优良、损伤面积明显降低。在上述基础上确定了玻璃纤维增强低成本抗冲击复合材料体系，表征了该材料的基本理化性能、 力学性能及环境适应性。 关键词：复合材料；玻璃纤维；树脂；织物；力学性能；低成本 中图分类号：TB332文献标识码：A 文章编号：1674—3962(2009)06—0033—07 StudiesonaNewLow．CostGlassFiber ReinforcedShock-ResistantComposite ZHENGWei。YUANXiumei．WANGXiaobing，KONGLingmei (ShandongInstituteofNon—MetallicMaterial，Jinan250031，China) Abstract：Anewlow·costglassfiberreinforcedshock—resistantcompositewasdeveloped．Anewlow·viscosityepoxy resinsystemcontainingactivediluentwasdesignedandoptimizedbasedonitsviscosityandoxygenindex，aswellasthe mechanicalpropertiesandshockresistanceperformanceofthecorrespondingcomposite．Acomplexcouplingagentwasal— SOoptimizedbyinvestigatingitseffectonmechanicalpropertiesandshockresistanceperformanceofthecorresponding composite．Anew3Dfabricofglassfiberisdeterminedasreinforcementoftheshock—resistantcompositetoimproveresin osmosisandalleviateshockdamage．Thefundamentalproperties，mechanicalpropertiesandenvironmentaladaptabilityof thecompositewerecharacterized． Keywords：composite；glassfiber；resin；fabric；mechanicalproperty；low-COSt 1 前言 玻璃纤维增强的抗冲击复合材料是一类同时具备优 良结构性能与抗高速冲击性能的树脂基复合材料。有关 的应用研究结果表明，该类材料已经成为继装甲钢、装 甲铝后一种新型的结构装甲材料，在各种轻量化弹道防 护领域扮演着越来越重要的角色¨‘41。 20世纪90年代以来，为了进一步提升该类材料在 制造大型制品上的应用效费比，美国根据复合材料液体 成型技术的最新成果，研制成功了新璎玻璃纤维增强 改性环氧树脂复合材料体系，并采用真空辅助树脂传 递模塑(VARTM)工艺成功制造了以装甲车辆车体为 收穑日期：2009一05一18 通信作者：郑威，男，1970年生，工学硕士，研究员 代表的大型构件¨1。这种新的材料体系和VARTM工 艺的完美结合，大大降低了传统预浸料／热压工艺在 制造相应复合材料制品时的工艺成本，并使其在制造 带有复杂复合结构的大型、大厚度高性能制品上更具 效费比。玻璃纤维增强抗冲击复合材料及其VARTM 成型工艺对于未来抗冲击复合材料大型构件的发展具 有非常的重要意义。 本研究通过实验对含有活性稀释剂的新型低粘度环 氧树脂配方和纤维复合表面处理方法进行优化，确定了 新型玻璃纤维增强抗冲击复合材料系列。并介绍了新型 3D机织织物的应用，获得能够有效满足VARTM工艺要 求的新型玻璃纤维增强低成本抗冲击复合材料体系，并 对其基本理化特性、力学性能、抗高速冲击性能以及环 境适应性进行了表征，为其工程应用奠定了基础。 万方数据 中国材料进展 第28卷 2 实验 2．1主要原材料 玻纤织物：EWR800，泰安玻璃纤维有限公司； 环氧树脂：自制；固化剂：自制； 活性稀释剂：a一甲基苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、 甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、双环戊二烯丙烯酸 酯、邻苯二甲酸二烯丙酯等，工业级，市售； 聚氨酯：T一80，工业级，市售； 硅烷偶联剂：KH570，工业级，市售； 铝锆偶联剂：TL一2，化学纯，重庆市久硕工贸有 限公司； 钛酸酯偶联剂：NDZ一201，化学纯，南京曙光化 工集团有限公司。 2．2主要设备仪器 真空泵：2×8旋片式真空泵，山东博山真空泵厂； 粘度计：NDJ一9S数显粘度计，上海天平仪器厂； 示差扫描量热仪：N麟H—DSC204，德国耐驰公司； 电子拉力试验机：Sintech2／DL型，美国MTS公司； 动态材料试验机：WE一10B，英国Instron公司； 氧指数仪：JF一3型，南京江宁分析仪器厂； 冲击试验机：CharpyXCJ一500型，河北承德材料 试验机厂： 54式12．7mm口径弹道枪。 2．3试样制备及性能测试 所有复合材料均采用VARTM工艺制备。复合材料 试样依据GB／T1446—2005《纤维增强塑料试验方法总 则》和其它相关 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的要求加工制备。 复合材料性能主要包括基本理化性能、基本力学性 能和抗冲击性能。其中理化性能和力学性能参照相关国 家标准进行测试。抗冲击性能测试依据中国兵器工业集 团第五三研究所企业标准Q／CC206—95(纤维增强复合 板抗碎片模拟弹性能试验方法》采用咖10mill钢制碎片 模拟弹，由54式12．7mm弹道枪射击， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 弹速，根 据公式(1)计算抗冲击性能Sea。 1 2 Sea=三一 (1--4--mvso )P． 式中：P，是复合材料靶板的面密度，kg／m2；7350是其弹 道极限速率，m／s；m是射弹质量，kg。 3结果与讨论 3．1 含有活性稀释剂的新型低粘度环氧树脂体系优化 为了保证最终复合材料的力学性能、抗高速冲击性 能及VARTM工艺适应性，设计了含有活性稀释剂的新 型低粘度环氧树脂体系，并以复合材料的力学性能、抗 高速冲击性能、阻燃性能和树脂粘度为依据，优化了复 合材料树脂体系。 3．1．1活性稀释剂种类、含量、温度对树脂体系粘度 的影响 考察苯乙烯、a一甲基苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、 甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯等5种活性稀释 剂添加的质量分数分别为25％。30％，35％，40％时 改性乙烯基酯树脂的粘度变化规律。图1给出了实验结 果。由图1可以看出，上述活性稀释剂均可以降低环氧 树脂的粘度。同等稀释剂含量条件下，采用甲基丙烯酸 羟乙酯和甲基丙烯酸羟丙酯作为活性稀释剂的树脂体系 室温下粘度均较高。稀释剂含量达到40％时，树脂体 系粘度仍高达800～1000mPa·8以上，难以满足复合 材料VARTM工艺的要求(一般不超过500mPa·8)。 而采用苯乙烯、a一甲基苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯作为 活性稀释剂的树脂体系室温粘度比上述体系降低50％ 以上。尤其是甲基丙烯酸甲酯在同等含量条件的树脂体 系粘度降低了70％以上，可以达到近200mPa·s，对 厚制品的VARTM工艺成形是十分有利的。 图1 室温下活性稀释剂种类及含量对树脂体系粘度的影响： (a)甲基丙烯酸羟乙酯，(b)甲基丙烯酸羟丙酯，(c)苯 乙烯，(d)a一甲基苯乙烯，(e)甲基丙烯酸甲酯 Fig,lEffectsofactivediluentkindsandcontentonresinviscosity atroomtemperature：(a)hydroxyethylmethacrylate。 (b)hydroxyprepylmethacrylate，(c)styrene，(d)a-methyl— styrene，and(e)methylmethacrylate 进一步考察了温度对含有往一甲基苯乙烯、甲基丙烯 酸甲酯的树脂体系粘度的影响，实验结果见图2。从图2 中可以看出：在20～40℃内，温度对两种树脂体系的粘 度影响显著。尤其当活性稀释剂的含量较低时尤为显著。 树脂的这种特性会造成夏季和冬季施工过程中VARTM工 艺时间的显著差别，严重时甚至影响构件制造的成败。注 意到含有a一甲基苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯的树脂体系均 ∞．罡：、毒∞8s!> 万方数据 第6期 郑威等：新型低成本玻璃纤维增强抗冲击复合材料研究 35 有满足VARTM工艺要求的较宽的含量区间和温度区间， 其中含有甲基丙烯酸甲酯的树脂体系粘度在更宽的温度区 间和更宽的含量区间内保持在200mPa·8以下(甚至达到 100mPa·s)，更适于VARTM工艺。 图2 温度对含有a一甲基苯乙烯(a)和甲基丙烯酸甲酯(b)的树脂体系粘度的影响 Fig．2Effectsoftemperatureonviscosityofresinwithdifferentactivediluent：(a)rt·methyl—styreneand(b)methylmethacrylate 3．1．2活性稀释剂种类及含量对复合材料力学性能、抗 冲击性能、阻燃性能的影响 表1是以苯乙烯为基准，列出了“一甲基苯乙烯和 甲基丙烯酸甲酯两种稀释剂的含量对最终复合材料力学 性能、抗冲击性能、阻燃性能的影响，并与苯乙烯做活 性稀释剂的基准复合材料体系进行了对比。从表l可以 看出，在实验研究的范围内，可以得出以下几点结果： ①添加a一甲基苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的树脂体系的 拉伸强度和弯曲强度相比基准体系均有所提升，且甲基 丙烯酸甲酯的效果优于a一甲基苯乙烯。注意到随着活 性稀释剂含量的提升，复合材料的层间剪切强度呈下降 趋势，但抗拉伸及弯曲性能变化不明显。这可能是由于 树脂体系中环氧树脂组分减少、造成纤维树脂界面粘接 强度下降所致。②甲基丙烯酸甲酯含量对复合材料的抗 高速冲击性能没有明显影响，与苯乙烯做活性稀释剂的 复合材料基准体系相比，其抗冲击性能也没有发生不利 的变化。③随着甲基丙烯酸甲酯含量的提高，复合材料 的氧指数略有下降。但与苯乙烯做活性稀释剂的基准复 合材料体系相比，甲基丙烯酸甲酯的复合材料体系的阻 燃性能没有不利变化。主要原因在于采用的环氧树脂本 身是阻燃的，而且对复合材料的阻燃起决定作用，而活 性稀释剂影响是较为次要的。 表1 活性稀释剂对复合材料力学性能、抗冲击性能及阻燃性能的影响 Table1 Effectsofactivediluentonmechanical，shock—resistanceandcombustionproperties 上述研究结果表明，抗冲击复合材料中的树脂体系 以环氧树脂和甲基丙烯酸甲酯为主要组分，当甲基丙烯 酸甲酯含量区间为35％一40％左右时，该树脂体系具 有低粘度、低成本、高性能的特点。 3．2 玻璃纤维表面处理优化 为了实现复合材料抗冲击性能与结构性能的兼容， 万方数据 中国材料进展 第28卷 做了玻璃纤维表面处理工艺研究。主要技术途径有二： 一是多种典型偶联剂与玻璃纤维表面的偶联剂复合使 用。选择的偶联剂主要包括有机硅烷、有机钛酸酯、有 机铝锆偶联剂等。二是在玻璃纤维表面涂敷～种与树脂 本体不同结构的韧性高分子材料层，选择的材料为聚氨 酯树脂。不同处理剂对复合材料性能的影响见表2。由 表2可以看出：①随着硅烷偶联剂用量的增加，复合材 料的弯曲强度有一定提高；但使用钛酸酯偶联剂、铝锆 偶联剂、聚氨酯树脂时，复合材料的拉伸强度、弯曲强 度明显降低。②各种类型处理剂对复合材料抗冲击性能 影响不大。以上研究结果表明，硅烷偶联剂在保证复合 材料抗冲击性能不下降的基础上，可以迸一步提高复合 材料体系的结构强度；钛酸酯偶联剂、铝锆偶联剂及聚 氨酯树脂等表面处理剂使用效果不好。这是由于玻璃纤 维表面含有大量的Si—O残键及一OH，硅烷偶联剂通 过水解可以与玻璃纤维形成稳定的化学键连接；而另一 方面，硅烷偶联剂的另一端町以通过化学键与树脂网络 相连接，所以硅烷偶联剂可使复合材料力学性能提高。 表2 处理剂种类及含量对复合材料性能的影响 Table2 Effectsofcouplingagentkindsandcontentoncompositeproperties 3．3织物结构优化 为了进一步改善复合材料的成形工艺性和综合力学 性能，设计加工了新型3D机织织物。图3是3D机织玻 璃纤维织物结构照片。 3．3．1树脂在3D机织织物中的流动特性 考察了真空辅助灌注工艺中树脂在设计的3D织物 的厚度方向及面内纤维方向的流动情况。在等面密度条 件下，考察对比了3D机织织物与EWR800叠合体z向 树脂扩散速率与面内树脂扩散速率，结果见表3、图4。 表3列出了树脂在两种不同面密度织物中沿厚度方向 (Z向)的流动速率。由表3可见，树脂在3D机织织物 Z向的流动速率明显要快于在EWR800织物中的流动速 率，渗透时间缩短36％一50％。这是因为3D机织织物 中存在一定含量的Z向纤维，增加了树脂z向渗透的孔 隙率，因此流动速度增大。由图4可见，树脂在3D机 织织物面内纤维方向的流动速率明显快于在EWR800织 万方数据 第6期 郑威等：新型低成本玻璃纤维增强抗冲击复合材料研究 37 物面内纤维方向的流动速率，前者的流动速度约为后者 的2倍。从图3可以看出，3D机织织物在面内存在大 量平行于纤维方向的连续通道，降低了树脂流动的阻 力，致使面内树脂流动速率增加明显。上述研究结果表 明：新型3D机织织物相比传统织物具有更好的树脂流 动性，更适合用于VARTM工艺。 图3新型3D机织玻璃纤维织物宏观照片 Fi导3Macrophotographofnew"3Dlock-wovenfabric 表3两种织物中树脂z向流动速率 Table3 Z-flow—rateofrisenindifferentfabrics 为5l％，力学性能不低于2D多轴向无皱折(NCF)织 物，抗冲击性能与2D多轴向无皱折(NCF)织物基本相 当。图5给出了相应复合材料抗冲击试验后的照片。由 图5可以看出，3D机织织物可以明显改善抗冲击弹道 损伤性能，背板损伤面积减小46％。这是因为3D机织 织物中存在一定含量的z向纤维，在复合材料受到高速 冲击时可以有效抑制复合材料层与层间的开裂，减小损 伤面积。 以上研究表明，与传统2D织物相比，3D机织织物 复合材料力学性能和抗冲击性能不降低，抗冲击道损伤 特性显著改善，树脂流动及扩散速率明显提高。故确定 3D机织物为抗冲击复合材料主要的织物形式。 图5复合材料板背面抗冲击损伤照片：(a)3D机织织物， (b)EWR600织物 Fig．5Photographofcompositedamageonbacksurface(a)3D lock-wovenfabricand(b)EWR600fabric 3．4抗冲击复合材料性能表征 3．4．1玻璃纤维增强抗冲击复合材料基本性能 对通过本实验研究所确定的新型玻璃纤维增强低成本 抗冲击复合材料体系的性能进行了系统表征，结果见表4。 3．4．2玻璃纤维增强抗冲击复合材料耐环境性能 表征了抗冲击复合材料在蒸馏水、海水、次氯酸钠 图4树脂在不同织物中流动情况对比：(a)EWRS00，水溶液、120’汽油、0。柴油及甲苯六种溶剂中浸泡l， (b)3D机织织物 15，30，90，220，365d的表面状态变化及拉伸性能、 n昏4comp撕⋯。‘n。”i“g8i‘“撕”缸d”“in8i娲”“‘ 弯曲性能和巴氏硬度。表5是其表面状态变化测试结果。 铀d。5：(8)EwR800锄d(b)3D10c。。wov“铀血 图6是抗冲击复合材料在不同化学介质中拉伸、弯曲、以 3．3．23D机织织物对复合材料性能的影响 及硬度随时间变化的规律。由表5及图6可以看出：①抗 采用3D机织织物制造的复合材料的纤维体积含量 冲击复合材料在次氯酸钠溶液中经过365d的浸泡后弯曲 万方数据 38 ． !里塑堑垄垦 竺兰堂———————_———_———————————————，——————————————————————————————_——————————————一——一一 强度降低了8．1％，拉伸强度降低了13．1％，拉伸模量变 化不大，弯曲模量有所提高，巴氏硬度降低7．8％。 ②在蒸馏水中经过365d的浸泡后拉伸强度和拉伸 模量分别下降7．5％和3．6％，弯曲强度和弯曲模量都 有所提高，巴氏硬度降低7．7％。 ⑨在甲苯中浸泡365d后弯曲强度和弯曲模量分别 降低3．5％和2．2％，拉伸性能和巴氏硬度变化不大。 ④在海水、120。汽油、0。柴油中拉伸性能、弯曲性 能和巴氏硬度均变化不大。 袭4玻璃纤维增强抗冲击复合材料基本性能参数 Ta“e4 Fundamentalcharacte^sticsofglasstberreintorcedshock。resistancecompoIsite Type 竺 !!!竺竺!竺竺 !唑!竺竺——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一 一 Thermal Linearexpansioncoefficient／。E一1 (1．19—1．79)×10’5GB／T1036—89 propertaes Otherphysical andchenical properties Principal mechanical propemes Thermalcouductivit),／W．m-1·K-1 Specificthermalcapacity／J·g’1·K‘1 Thcrnlaldeformationtemperature／*C Density／g‘cm一’ Oxygenindex／％ Hygroscopiccoefficient／％ Tensilestrength／MPa Tensileelasticmodulus／GPa Poissen，sratio Bendingstrength／MPa Bendingelasticmodulus／GPa Impacttoughness／MPaXYPlanenotch．Zorthoaxis XZPlanenotch．Yorthoaxls Compressionstrength／MPa Compressionmodulus／GPa XYPlane， XZPlane， XYPlane， XZPlane， Zorthoaxis Yorthoaxis Zorthoaxis Yorthoaxis Intcrlaminarshearstrength／MPa Crossshearstrengtb．／MPa Crossshearmodulus／GPa Impact-pressringshearstrength／MPa TensilecrushingstrengthbybeltconnctirI∥MPa 0．407 1．02 >280 1．96_2．05 32．O一35．O 0．026 439—535 22．O一24．6 0．165 530—705 21．7～25．O 283—484 273—463 389—519 248—357 8．7l～9．27 14．5～18．9 38．9～51．5 86．2—91．3 5．86—7．11 165一177 569～670 GB／T10294一1988 GJB330A一2000 GB／T1634—79 GB／T1463—2005 GB／T8924一1988 GB／T1462—88 B／T1447—2005 B／T1449—2005 GB／T1451—2005 GB／T1448一1983 GB／T1450．1—2005 GB／T3355—1982 GB1450．2—2005 BareolRardne∞ 70一80 GB／T3854—1983 表5 抗冲击复合材料在几种介质中浸泡后的表面状态变化 Tabl05Surfacestatesofshock—resistancecompositeaftersoakingindifferentmeddium 一———————————————————————————————————————————————————一 Time／dGasoline一120。Diesel—oil-0#——————M——e—th—y—l—b—e—n—z—en—e————————N—a—C—10——(—2—％——c—h—l—o—ri—n—e—)——————————S—e—a—w—a—t—er—————，———D—is—t—il—le—d——w—a—te—r—一—————_●————-——●—————————_—————————，——————_——__———————————————’—_———————————————————●———————一一一 I NoobviouschangeNoobviouschangeNoobviouschange Noobviouschange NoobviouschangeNoobviouschange ·s N。obviousc“雌N。obviouscnnseN。山iouschangeHa‰ving。i：苗是：嚣’N。。bviouschange 30 NoobviouschangeNoobviouschange 90 NoobviouschangeNoobviouschange 220NoobviouschangeNoobviouschange 365 NoobviouschangeNoobviouschange Partofborder resinfailedoff Partofberder resinfailedo匿 Partofborder resinfailedoff Partofborder resinfaliedoff Havingwhite precipitate B燃se慧”裟’≯ 。h Whiteprecipitateon-h genSCOIOu Noobviousange in emoe r ch ncreasing aftersampledrying Fiberchangingintowhite aftersampledrying Fiberchangingintowhite aftersampledrying Fiberchangingintowhite aftersampledrying Noobviouschange Noobviouschange Noobviouschange Havingwhite precipitate Havingwhite precipitate Havingwhite precipitate 万方数据 第6期 郑威等：新型低成本玻璃纤维增强抗冲击复合材料研究 39 Time／d Time／d Time／d Time／d Time，d 图6抗冲击复合材料在几种介质中浸泡后力学性能随时间的变化 F培6 Effectoftimeonmechanicalpropetiesofshock—resistancecompositeaftersoakingmediumindifferent 4 结 论 通过新型低粘度环氧树脂配方优化、复合偶联剂优 化和新型3D机织织物的应用，确定了新型玻璃纤维增强 抗冲击复合材料体系；树脂体系采用甲基丙烯酸甲酯+ 环氧丙烯酸树脂体系，粘度低，工艺可靠性好；纤维表 面处理采用有机硅烷的复合偶联剂；织物形式采用带有 z向纤维的新型3D机织织物，树脂渗透速率高，弹道损 伤小。该体系组成更适合制造厚度较大的各种复合结构。 这对于复合材料装甲车体等大型构件的制造具有积极 意义。 参考文献References [1]MIL·L一46197，Laminate：S-2GlassFabric-ReinforcedPolyester ResetPreimpregnat缸(层压板：S一2玻璃纤维增强聚酯预浸 料)[S]．1987一12—23． [2]WmE，AlesiAL，ParsonsGR．CompositeStntcturalArmor／07 CombatVehiclesApplications(战斗车辆用结构装甲复合材料) [C]．NewYork：NationalAeronauticalandSpaceAdministration， 1987：29—48． [3]CompositeArmo砌VehiclesAdvancedTechnologyDemonstrator(复合 材料装甲车辆先进技术演示验证)[R]．SantaClara：United Defense，1997． [4]“uGuoquan(刘国权)，YangDafeng(杨大锋)，ZhaiJinming (翟金明)。eta1．高强玻璃纤维复合材料的性能及应用[J]， FiberComposites(纤维复合材料)，2002(2)：21—23． 【5]SocksAdriaN．TheUseofFiber-ReinforcedPolymer-MatrixCompos- itesinArmyGroundVehicles(纤维增强聚合物基复合材料在军用 陆地车辆上的应用)[R]．USA：USArmyTARDEA，2005． 臻口cpJ西工102∞∞ 万方数据 新型低成本玻璃纤维增强抗冲击复合材料研究 作者： 郑威， 袁秀梅， 王小兵， 孔令美， ZHENG Wei， YUAN Xiumei， WANG Xiaobing， KONG Lingmei 作者单位： 中国兵器工业集团第53研究所 刊名： 中国材料进展 英文刊名： MATERIALS CHINA 年，卷(期)： 2009，28(6) 引用次数： 0次 参考文献(5条) 1.MIL L-46197.层压板:S-2 玻璃纤维增强聚酯预浸料 1987 2.Wm E.Alesi A L.Parsons G R 战斗车辆用结构装甲复合材料 1987 3.复合材料装甲车辆先进技术演示验证 1997 4.刘国权.杨大锋.翟金明 高强玻璃纤维复合材料的性能及应用 2002(2) 5.Socks Adria N 纤维增强聚合物基复合材料在军用陆地车辆上的应用 2005 相似文献(10条) 1.期刊论文 薛玉君.程先华.谢超英 稀土处理玻璃纤维填充聚四氟乙烯复合材料在油润滑下的摩擦学性能 -摩擦学 学报2002,22(2) 分别用偶联剂、稀土以及偶联剂-稀土混合物处理玻璃纤维表面,以改善玻璃纤维与聚四氟乙烯之间的界面结合力,考察了玻璃纤维填充聚四氟乙烯复 合材料在油润滑下的摩擦学性能.结果表明:在油润滑条件下,表面处理玻璃纤维填充聚四氟乙烯复合材料的摩擦系数比未经处理玻璃纤维填充聚四氟乙烯 复合材料的低,耐磨性亦较优;而稀土处理玻璃纤维填充聚四氟乙烯复合材料具有最低的摩擦系数及最高的耐磨性和极限pv值;未经处理玻璃纤维填充聚四 氟乙烯复合材料的磨损形式主要为粘着转移,偶联剂处理玻璃纤维填充聚四氟乙烯复合材料和偶联剂与稀土处理玻璃纤维填充聚四氟乙烯复合材料均以磨 粒磨损为主,而稀土处理玻璃纤维填充聚四氟乙烯复合材料的磨损机理主要为粘着磨损和轻微磨粒磨损. 2.期刊论文 程先华.薛玉君.谢超英 稀土处理玻璃纤维填充PTFE复合材料的滑动磨损性能 -复合材料学报 2003,20(3) 研究了不同玻璃纤维表面处理对PTFE复合材料在干摩擦条件下滑动磨损性能的影响,并借助扫描电子显微镜(SEM)分析了磨损机理.结果表明:在干摩 擦条件下,经表面处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料的摩擦系数和摩擦表面温度比未经处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料的低,且减磨性能优于未经处理 的;而稀土处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料的摩擦系数和摩擦表面温度最低,减磨性能最好;未经处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料和偶联剂处理玻璃纤 维填充的PTFE复合材料都发生了剧烈的粘着转移;偶联剂与稀土处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料的磨损机理主要是明显的磨粒磨损;稀土处理玻璃纤维 填充PTFE复合材料的磨损形式主要是粘着转移和轻微的磨粒磨损. 3.学位论文 吕丽 玻璃纤维芯铅网（丝）增强橡胶阻尼复合材料性能研究 2006 橡胶是一种重要的粘弹类阻尼材料，已广泛应用于航空、航天、交通、机械、建筑等领域。但是，橡胶力学性能较差，很难单独作为结构材料直接 使用。为了在不损失橡胶阻尼性能的同时提高其力学性能，实现结构-功能一体化，根据复合材料力学理论和阻尼机理，设计了一种由玻璃纤维(GF)、铅 (Pb)和橡胶(R)组成的新型阻尼复合材料——玻璃纤维芯铅网(丝)增强橡胶复合材料(GF/Pb/R)。 本课题对四种增强方式的复合材料依次进行了系 统研究，它们是：GF/Pb网横向增强橡胶复合材料(H-GF/Pb/R)、GF/Pb网纵向增强橡胶复合材料(V-GF/Pb/R)、短GF/Pb丝增强橡胶复合材料(S- GF/Pb/R)和连续GF/Pb丝增强橡胶复合材料(T-GF/Pb/R)。采用力滞回线法和振动法考察了复合材料在承受压缩载荷和剪切载荷时的力学性能和阻尼性能 ，分析了复合材料中存在的阻尼机制。结果表明：使用GF/Pb网(丝)作为增强相能够有效地提高复合材料的压缩力学性能和阻尼性能，但对剪切性能提高 效果不明显。复合材料阻尼是多种阻尼机制共同作用的结果，包括材料阻尼、界面微滑移阻尼、Pb的微观塑性变形阻尼。各种阻尼机制对复合材料阻尼 性能的贡献与界面面积、界面结合强度等因素有关。 本课题还分别研究了频率、复合结构、GF/Pb网(丝)体积分数、GF/Pb网铺层位置和相邻铺层 间夹角、组元性能和使用条件等因素对四种复合材料力学性能和阻尼性能的影响，并根据实验结果确定了制备各种复合材料的最佳参数，以及发挥 GF/Pb网增强作用的最佳复合结构。 不同GF/Pb网(丝)用量对复合材料性能影响的研究结果表明：H—GF/Pb瓜和V-GF/Pb/R的压缩刚度和阻尼性能随 着GF/Pb网体积分数的增加而提高，其剪切性能受GF/Pb网体积分数的影响不明显；T-GF/Pb瓜的动刚度随着GF/Pb丝体积分数的增加而提高，其损耗因子 却随GF/Pb丝体积分数增大略为降低。 不同铺层结构对GF/Pb网增强橡胶复合材料性能影响的研究结果表明：H-GF/Pb/R的压缩动刚度和阻尼性能随 着铺层结构的改变略有差别，当GF/Pb网位于样品中部时，H-GF/Pb/R的综合性能最佳。GF/Pb网铺层间夹角对V-GF/Pb/R的压缩力学性能和阻尼性能影响 较小，其中以铺层间夹角为0°、GF/Pb网均匀铺层的复合材料性能最高。 GF/Pb丝与橡胶间的界面结合强度对复合材料性能影响的研究结果表明 ：载荷作用前后的界面状态随界面结合强度的强弱而改变，故GF/Pb丝与橡胶间的界面结合强度成为影响复合材料性能的重要因素。界面结合较弱时，界 面处的脱粘区域在受到循环载荷作用后迅速扩展：界面结合较强时，GF/Pb丝与橡胶在受力作用后仍然能够保持紧密结合状态。界面状态的差别导致了复 合材料性能的差别，H-GF/Pb/R和V-GF/Pb/R的压缩力学性能随着界面结合强度的提高而提高，而损耗因子的变化较复杂。H-GF/Pb/R的阻尼性能按照界面 弱结合、强结合、中等强度结合的顺序提高：V-GF/Pb/R的阻尼性能按照界面中等强度结合、强结合、弱结合的顺序提高。研究了金属组元和直径不同的 GF/Pb丝的物理性能及它们所增强的复合材料力学性能和阻尼性能，结果发现：纯Pb比PbSn合金更容易发生微观塑性变形，形成较多的变形能耗，因此 ，用金属组元为纯Pb的GF/Pb丝制备的的复合材料阻尼性能较高。复合材料中的界面面积、GF/Pb丝分布状态随着GF/Pb丝直径的改变而变化，从而，复合 材料的力学性能和阻尼性能也随之改变。GF/Pb网铺层数量相同时，H-GF/Pb/R和V-GF/Pb/R．的力学性能和阻尼性能均随GF/Pb丝直径的增大而提高 ；GF/Pb丝体积分数相同时，GF/Pb丝直径对S-GF/Pb/R力学性能和阻尼性能影响不大，T-GF/Pb/R力学性能随着GF/Pb丝直径的增加而降低，而阻尼性能呈 非线性变化。 研究了四种复合材料在不同测试条件下的性能，考察了它们在不同使用环境中的减振效果。结果表明：H-GF/Pb/R和V-GF/Pb/R的压 缩动刚度和阻尼性能随着预压缩量的增大而提高，随着振幅的增大而降低。复合材料动刚度随着频率的提高而提高。当f<8Hz时，阻尼性能随着频率的提 高而提高；8Hz时达到峰值；之后，损耗因子随着频率提高而减小。 比较了四种复合材料的力学性能和阻尼性能增强效果，结果表明：H- GF/Pb/R和V-GF/Pb/R的力学性能增强作用较高，V-GF/Pb/R的阻尼增强效果最好。在3～20Hz范围内，GF/Pb网(丝)体积分数为4％时，H-GF/Pb/R样品和V- GF/Pb/R样品的动刚度提高率相当，分别为53％～57％、48％～50％；V-GF/Pb/R的阻尼性能提高率可达到24％～47％。GF/Pb网增强橡胶复合材料的纵向 压缩性能比横向压缩性能高，且横向剪切性能比纵向剪切性能高。当压缩载荷作用于V-GF/Pb/R时，复合材料良好的纵向压缩性能和横向剪切性能将同时 发挥作用，使其表现出比H-GF/Pb/R更加优异的力学性能和阻尼性能。因此，GF/Pb网纵向增强橡胶复合材料比GF/Pb网横向增强橡胶复合材料更加有利于 发挥GF/Pb网的增强作用。 借助于有限元软件ANSYS，建立了由橡胶层与GF/Pb网增强橡胶薄层交替铺层构成的简化复合材料有限元模型和GF/Pb丝 增强橡胶“单元胞”模型。根据能量法，利用有限元分析所得到的单元应变能预测了复合材料的力学性能和阻尼性能，所得结果与实验值比较吻合。同 时分析了界面层的厚度、模量和阻尼性能对复合材料阻尼性能的影响，结果表明：只有当界面相模量高于1.25×10<'8>Pa时，复合材料阻尼性能才有可 能提高，且界面层的阻尼性能比界面层的模量和厚度对复合材料阻尼性能影响更加明显。最后，为了考察GF/Pb网(丝)增强橡胶复合材料的工程减振效果 ，按照四种复合方式的优化结构参数和材料参数制备了复合样品，并模拟复合材料的实际应用环境进行了振动测试。结果表明：在3-20Hz范围内，H- GF/Pb/R的动刚度提高率可达到165％～198％，V-GF/Pb/R损耗因子提高率可达到42％～68％。使用复合材料的系统振动传递率仅是使用橡胶系统的一半 ，显示出了优良的减振效果。另外，将GF/Pb网复合材料应用于某铁道轨枕垫产品中，不仅解决了使用天然橡胶所引起的产品刚度和绝缘性能无法同时满 足要求的问题，满足了工程应用要求，而且．降低了生产成本。 4.会议论文 冯才敏.张艺.许家瑞 连续玻璃纤维/聚氨酯硬泡复合材料的力学性能研究 2006 本文探讨了连续玻璃纤维和聚氨酯硬泡基体密度对复合材料的增强效果和增强机理。结果表明,随着玻璃纤维体积分数和基体密度的增加,复合材料 的弯曲性能有大幅度的提高;固定聚氨酯硬泡基体密度为0.35g/cm3,当玻璃纤维体积分数达到13％,复合材料的弯曲强度和模量分别是增强前的10.3倍和 30.7倍;玻璃纤维体积分数保持在10.0％,当基体密度达到0.54g/cm3时,复合材料的弯曲强度和模量为增强前的2.1倍和1.4倍.由此表明,连续玻璃纤维的 加入能有效地提高复合材料的弯曲性能,基体密度对复合材料的弯曲性能也有一定的影响。 5.期刊论文 程先华.薛玉君.谢超英 稀土改性玻璃纤维对PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响 -无机材料学报 2002,17(6) 分别用硅烷偶联剂SG-Si900(SGS)、含SG-Si900的稀土溶液(SGS/RES)和稀土溶液(RES)对玻璃纤维进行表面改性,考察了稀土改性玻璃纤维填充的 PTFE复合材料在油润滑条件下的摩擦磨损性能,并用扫描电子显微镜(SEM)分析了磨损表面形貌.结果表明:与未经表面改性玻璃纤维填充的PTFE复合材料 相比,经表面改性玻璃纤维填充的PTFE复合材料的减摩耐磨性能得到提高,以RES的作用最明显,SGS/RES次之,SGS第三;在油润滑条件下,稀土改性玻璃纤维 填充的PTFE复合材料只出现了轻微磨损,这是由于玻璃纤维经稀土表面改性后极大地改善了玻璃纤维与PTFE基体之间的界面结合力,使稀土改性玻璃纤维 填充的PTFE复合材料具有优异的摩擦磨损性能. 6.期刊论文 赵华俊.毕松梅.李建.ZHAO Hua-jun.BI Song-mei.LI Jian 玻璃纤维的含量对复合材料的力学性能影 响及表征研究 -安徽工程科技学院学报（自然科学版）2009,24(1) 为研究不同质量分数的玻璃纤维对增强聚丙烯复合材料力学性能的影响,选择直径为10μm的玻璃纤维制备复合材料小样.测试在不同质量分数时材料 的拉伸强度、弯曲弹性模量等力学性能,并应用扫描电镜(SEM)对其微结构进行表征.结果表明:玻璃纤维质量分数对复合材料的取向分布有很大影响,随着 玻璃纤维质量分数增加,拉伸强度增大,但弯曲弹性模量、弯曲强度变化不明显,此外,随着质量分数的增加,复合材料的脆性变大;SEM分析表明复合材料中 玻璃纤维有一定的取向且分布相对均匀,玻璃纤维和复合材料基体结合良好. 7.学位论文 薛玉君 稀土处理玻璃纤维填充聚四氟乙烯复合材料的摩擦学性能研究 2002 聚四氟乙烯（PTFE）复合材料是最富有潜力的减摩耐磨材料，但由于存在着玻璃纤维（GF）与PTFE基体结合差的问题，限制了其应用范围并影响其 应用效果。玻璃纤维与热塑性树脂基体之间的界面强韧性差，一直是复合材料领域迫切需要攻克的难题。针对界面性质是重要的关键因素，本论文用稀 土对玻璃纤维进行表面改性，以有效地改善玻璃纤维与PTFE基体之间的界面结合力及界面韧性，进而提高PTFE复合材料的摩擦学性能，取得了原创性的 研究结果。 第一，系统地研究了用稀土表面改性剂对玻璃纤维进行表面改性处理。通过拉伸性能测试和断口形貌分析，考察了偶联剂、稀土以及 偶联剂—稀土混合物处理对玻璃纤维与PTFE基体之间界面结合力及界面韧性的影响。稀土表面改性剂比偶联剂以及偶联剂—稀土混合物能够更有效地改 善玻璃纤维与PTFE的亲和性和界面的结合状态，使玻璃纤维与PTFE基体之间的界面具有优异的结合强度及韧性；稀土表面改性剂处理GF/PTFE复合材料的 界面结合力主要受其中稀土元素含量的影响，当稀土元素含量为0．2～0．4 wt％时，GF/PTFE夏合材料的拉伸性能得到明显提高，并且在稀土元素含量 为0．3 wt％时其性能最佳。 第二，分别用偶联剂、稀土以及偶联剂—稀土混合物处理玻璃纤维表面，系统地研究了玻璃纤维填充的PTFE复合材料 在不同试验条件下的摩擦学性能。在相同试验条件下，稀土处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料的摩擦学性能比偶联剂处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料 以及偶联剂—稀土混合物处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料的要好。油润滑使玻璃纤维填充的PTFE复合材料在滑动磨损条件下的摩擦系数和磨损量均比 干摩擦时的明显降低。稀土处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料轴承在滴油润滑条件下具有最低的摩擦系数及最高的耐磨性和极限pv值。在往复滑动冲击 载荷条件下，稀土处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料衬套具有优异的摩擦性能和抗冲击磨损性能；稀土处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料衬套/连杆摩擦 副性能的可靠性比偶联剂处理或偶联剂—稀土处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料衬套/连杆摩擦副的要高，可有效减轻对连杆表面的损伤，连杆未出现明 显磨损。 第三，稀土表面处理改善了玻璃纤维与PTFE基体之间的界面结合力及界面韧性，使玻璃纤维不易从基体中脱落，从而抑制PTFE的大规模 转移和磨失，提高了PTFE复合材料承载能力和摩擦磨损性能；稀土提高了PTFE复合材料形成转移膜的能力，增强了转移膜与偶件表面之间的结合力，有 利于形成厚度适当且分布均匀的转移膜，与偶件表面的直接对摩减轻，降低了材料的磨损。 第四，探讨了稀土元素提高摩擦学性能的机制。稀土 元素参与并影响了摩擦化学反应产物的生成，而摩擦化学反应促进了PTFE复合材料在偶件表面复合转移膜的形成，转移膜与偶件表面之间的结合强度依 赖于机械嵌合与化学键合的共同作用。复合转移膜的“填平和铺开效应”，是稀土元素提高玻璃纤维填充的PTFE复合材料摩擦学性能的重要机制。 本文首次用化学热力学方法分析了稀土元素与玻璃纤维之间的作用机理，以及稀土元素对PTFE的化学作用及其对界面性质的影响，探讨了稀土提高玻璃 纤维与PTFE基体之间的界面强韧性机制；系统地研究了稀土表面处理对玻璃纤维填充的PTFE复合材料摩擦学性能的影响及其与试验参数之间的内在联系 。尤其在模拟汽车减振器服役条件的台架试验机上，首次考核了稀土处理玻璃纤维填充的PTFE复合材料的应用效果，研制出了具有优异抗冲击磨损性能 的新型PTFE复合材料，为其在处于冲击工况条件下的机械零部件上实际应用提供了依据。 8.期刊论文 苏峰华.张招柱.姜葳.王坤 纳米及微米颗粒改性玻璃纤维织物复合材料的摩擦磨损性能研究 -摩擦学 学报2004,24(5) 用玄武三号栓-盘式摩擦磨损试验机研究了纯玻璃纤维织物以及辐照聚四氟乙烯(PTFE)粉末、MoS2粉末、纳米TiO2和纳米CaCO3填充改性玻璃纤维织 物复合材料的摩擦磨损性能;采用扫描电子显微镜观察分析了其磨损表面形貌.结果表明,辐照PTFE粉末和纳米TiO2可以明显提高玻璃纤维织物复合材料的 减摩抗磨性能,且辐照PTFE粉末的减摩抗磨效果明显优于纳米TiO2;当PTFE的质量分数为10%时,PTFE改性玻璃纤维织物复合材料的综合摩擦磨损性能最好 .MoS2和纳米CaCO3则使得玻璃纤维织物复合材料的摩擦系数和磨损率明显增大,其中纳米CaCO3填充玻璃纤维织物的摩擦磨损性能最差. 9.会议论文 吕琴 复合材料行业发展对玻璃纤维的需求 2007 本文跟大家交流，玻璃纤维的发展和中国复合材料之间的发展的关系和感想。玻璃纤维行业应该共同做一些工作.玻璃纤维能够提供各种各样的产品 。各种各样的规格更多一些。希望在性能上更优异一些满足不同性能的.电性能.化学性能上的需求。 10.学位论文 朱春燕 玻璃纤维织物/聚氯乙烯复合材料的复合结构对隔声性能的影响 2008 本文对几种不同复合结构的玻璃纤维织物/聚氯乙烯复合材料的隔声性能进行了研究，目的在于探索在面密度和厚度相同的条件下，比常规材料具有 更好隔声性能的新型复合材料。文章基于声波的传播特点，从复合材料的结构设计出发，以聚氯乙烯树脂作为基体，制备了以二维玻璃纤维织物为增强 材料且织物在复合材料中的排列形式分别为横排、纵排和V型排列的聚氯乙烯基复合材料及多维的3D机织中空层连玻璃纤维织物和2.5D弯交浅联玻璃纤维 织物为增强材料的聚氯乙烯基复合材料。利用双声道分析仪对其隔声性能进行研究，并研究复合结构对隔声性能的影响。 通过对聚氯乙烯基体隔 声性能的研究，结果表明：柔性聚氯乙烯材料的平均隔声量与其面密度的对数值呈良好的线性相关性。与质量法则的趋势相同，当质量法则的系数进行 适当修正后，可以用面密度去预测柔性聚氯乙烯材料的平均隔声量。其关系式为：R=101gm+12.8。通过对二维玻璃纤维织物纵向排列及横向排列复合材 料的隔声性能研究，率先提出了在厚度超过一定值(5mm)后，纵排玻璃纤维织物/聚氯乙烯复合材料对低频的隔声性能明显优于横排纤维织物/聚氯乙烯复 合材料，且其差距随厚度的增加而增加。可以采用改变增强材料的排列形式来提高材料对低频的隔声性能。 在对V型-玻璃纤维织物增强聚氯乙烯 复合材料研究后发现，V型结构的排列方向对隔声性能有很大的影响，且随着玻璃纤维层数的增加，其差距扩大。关于V型-玻璃纤维织物隔声复合材料的 上述研究，尚未见报道。 通过对多维玻璃纤维织物/聚氯乙烯复合材料的隔声性能研究，结果表明：单纯3D机织中空层连玻璃纤维织物和2.5D弯交 浅联玻璃纤维织物的平均隔声量分别为2dB和13.4dB，当这两种织物单面浇注聚氯乙烯树脂糊后，其质量分别增加了97％和12.4％，而其平均隔声量却提 高了12.8dB(3D织物复合材料的正面)、7.5dB(3D织物复合材料的反面)和6dB(2.5D织物复合材料)，特别是在低频部分，隔声性能有显著提高。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgcljz200906006.aspx 下载时间：2010年2月8日