陶瓷/芳纶纤维复合靶板防弹性能研究及结构改进

为了提高靶板防弹性能,提出一种由陶瓷和芳纶纤维复合材料构成的防弹结构。对陶瓷及芳纶纤维防弹性能有限元仿真分析的结果表明：陶瓷的弹孔面积大于纤维,陶瓷内部的形状比较粗糙而纤维则比较平滑,陶瓷吸能主要是通过自身的破碎和断裂及应力波的传递实现的,而纤维吸能则主要是通过自身的拉伸和延展将弹丸的动能转换为自身的弹性势能和断裂能。此外,基于陶瓷和芳纶纤维的抗侵彻原理,进行了复合靶板的结构设计,并利用NSGA-II算法对层间材料的厚度进行了优化,优化后复合靶板子弹的剩余速度降低了185 m/s,靶板的面密度降低了5.4 kg/m²,综合防弹性能得到了明显提高,为后续进行新型轻质防弹复合装甲的结构设计提供指导思路。     

混杂网格增强超高性能混凝土双向板的弯曲性能

网格增强超高性能混凝土(ultra-highperformanceconcrete,UHPC)具有轻质、高强、耐久性好等特性,已应用于薄壁结构和工程加固领域,但单一网格很难实现高效的增强增韧效应．为研究混杂网格增强UHPC双向板的抗弯性能,对3个钢丝网格与玻璃纤维网格混杂增强UHPC板、3个钢丝网格与玄武岩纤维网格混杂增强UHPC板、6个单一网格增强UHPC板和1个无网格UHPC对照板进行弯曲试验,研究网格种类、总层数及铺层方式对其破坏形态、承载能力和弯曲韧性的影响．结果表明：与单一钢丝网格板和单一玻璃纤维网格板相比,钢-玻璃纤维网格混杂板开裂后表现更显著的硬化现象,在连续网格与混杂短纤维协同效应下,板呈现多裂缝破坏模式,延性较理想．铺设2层网格时,钢-玻璃纤维网格混杂板的承载能力较单一钢丝网格板提升23.7%,且其在20 mm挠度处的残余承载力较单一玻璃纤维网格板提升28.2%;钢-玄武岩纤维网格混杂板峰前阶段的能量吸收值和20 mm挠度处的残余承载力均优于单一玄武岩纤维网格板．网格总层数为3层时,与单一玄武岩纤维网格板相比,2层钢丝网格与1层玄武岩纤维网格混杂增强板在峰前挠度为2 ...     

碳纤维增强镁合金层合板拉伸性能和层间断裂韧性

玻璃纤维增强铝金属层合板,已广泛应用于航空、航天等领域。现采用密度更小的镁合金板取代铝合金板,并用抗拉强度更高、弹性模量更大的碳纤维来代替玻璃纤维,会得到一种新型的复合材料——碳纤维增强镁合金层合板。通过对不同纤维/树脂复合材料体积比的碳纤维增强镁合金层合板进行拉伸以及单悬臂梁试验,分别得到其强度、刚度及界面断裂韧性等机械性能。并与工程实际中广泛使用的玻璃纤维增强铝合金层合板进行比较。结果表明,碳纤维增强镁合金层合板具有比玻璃纤维增强铝合金层合板更高的比强度、比刚度以及界面断裂韧性。碳纤维增强镁合金层合板是一种非常有前途的新型复合材料。     

碳纤维增强树脂基复合材料力学性能预测

利用有限元软件ABAQUS作为建模计算平台,应用Python语言编程,实现了纤维增强复合材料有限元模型中纤维体积分数含量的控制和各向异性材料局部坐标与整体坐标下输出变量的转换,对碳纤维增强树脂基复合材料的基本力学性能进行了预测,提出了预测纤维增强复合材料基本力学性能的新方法.可对不同性能的纤维、基体材料、不同纤维体积分数含量、不同纤维铺设铺层角度、不同加载方向的纤维增强复合材料的力学性能进行预测.     

聚脲弹性体涂覆结构抗侵性能与层间作用机制研究

研究了聚脲弹性体涂覆钢板、涂覆纤维复合材料板抗破片侵彻性能以及涂层与底材层间作用机制.通过弹道试验加载3.3 g立方体破片撞击聚脲涂覆钢板、FRC板结构,获得无涂覆、迎弹面涂覆和背弹面涂覆3种涂覆类型结构的弹道极限,得到了不同涂覆方式下结构抗侵彻性能差异以及变形与失效特征.结果表明,聚脲弹性体涂层对涂覆结构抗破片侵彻性能的影响作用与涂覆底材自身的吸能机制相关;钢板吸能形式为局部变形与剪切冲塞,涂层对钢板耗能作用影响小,且能够有效提高结构抗侵性能,迎弹面涂覆效果优于背弹面;FRC板吸能形式主要为背部纤维的拉伸断裂与层间分离,背弹面涂层抑制纤维板吸能作用,大幅降低涂覆结构抗侵效率.      

纤维增强多层水泥板结构性能研究的试验方法

随着社会科学技术的进步,土木工程结构学科的发展,在很大程度上得益于性质优异的新材料、新技术的应用和发展,通过对加压水泥板的抗弯、抗折、抗冲击性等性能和研究纤维增强复合材料的抗拉、抗剪、抗疲劳等性能的研究,研发一种可用于建筑外墙、楼板的结构板.纤维(碳纤维,芳纶纤维或玄武岩纤维)增强多层水泥板由2～3层水泥加压板和1～2层网状纤维由粘结剂粘接组成结构板.通过试验研究不同纤维配置和粘结剂对其结构性能的影响,提出纤维增强多层水泥板的设计、制造方法和构造措施.     

CFRP-TRB超混杂复合汽车B柱结构的优化设计

B柱是汽车的关键承载结构件之一。为了提高某轿车的侧面碰撞性能并实现B柱轻量化设计,结合汽车B柱的结构特点以及不同材料的特性,设计一种碳纤维增强复合材料(CFRP)-差厚钢板(TRB)复合B柱结构。将传统B柱中部加强板去除,B柱外板设计为差厚板的同时在其内侧局部铺贴碳纤维增强复合材料。基于Optistruct对该复合B柱内外板的厚度分布以及复合材料的铺层顺序及铺层厚度进行了优化设计。整车侧面碰撞模拟结果表明,在满足制造工艺要求的条件下,新型超混杂复合B柱结构达到了27.7%的轻量化效果,并同时提高了侧面碰撞的耐撞性。     

纬编双轴向多层衬纱织物增强防弹板防弹性能的研究

从实验研究的角度介绍了一种新型复合材料防弹板的制作工艺、弹击实验，并对实验现象和结果进行了分析和讨论。该防弹板由天津工业大学复合材料研究所最新研制成功的专利产品(纬编双轴向多层衬纱(MBWK)织物)作为增强材料(若干层)，经水乳性PU树脂涂覆热压后成型，该产品具有卓越的机械力学性能及抗冲击性能。从工艺特点和实验结果来看，这种增强结构在防弹领域有一定的产业化应用前景。     

表面处理对玻纤/碳纤增强橡胶基密封复合材料性能的影响

采用压延成张工艺制备碳纤维和玻璃纤维混杂增强非石棉橡胶基密封复合材料(NAFC),以横向抗拉强度作为表征混杂增强橡胶基密封材料中纤维与橡胶界面粘结性能的指标.通过扫描电镜(SEM)对材料横向拉伸试样断口进行形貌分析,及对材料的耐油、耐酸、耐碱性能进行测试,探讨了不同表面处理工艺对纤维与基体界面粘结效果的影响.研究结果表明,对玻璃纤维采用偶联剂KH550浸渍后涂覆环氧树脂涂层,对碳纤维在空气氧化后涂覆环氧树脂涂层,可有效增强纤维、基体的界面粘结,所制得的混杂纤维增强复合材料具有较好的机械性能和耐介质性能.     

UHMWPE背板铺层角度对陶瓷复合靶板抗弹性的影响

由于背板强度对陶瓷/纤维复合装甲的抗弹性能存在明显影响，采用12.7 mm穿燃弹(刚脆性)冲击实验研究了不同UHMWPE背板铺层角度对陶瓷/纤维复合装甲弹道冲击性能的影响.通过观测回收的弹芯、靶体陶瓷及纤维背板宏观破坏特征，分析了陶瓷/纤维复合装甲的耗能机理及抗弹性能.试验结果表明，陶瓷锥是陶瓷面板的主要破坏模式，其宏观裂纹主要有:径向、环向及与锥形裂纹；纤维背板变形模式为动态锥形鼓包及边界褶皱，其破坏失效模式有:剪切失效及层间剥离.并且，背板强度对陶瓷/纤维复合靶板的抗弹性能有明显影响，随着UHMWPE背板铺层角度的减小，背板强度以及陶瓷/纤维靶板整体结构刚度随之增大，靶板对弹芯的破碎作用越明显，冲击后剩余弹芯最大碎片质量减小，小碎块数量增多，弹丸碎块穿透靶板后剩余侵彻能力减弱，复合靶板整体抗弹性能增加，同时背板鼓包高度减小，锥形鼓包所形成的角度增大，纤维层合板的破坏失效模式从剪切失效向层间剥离转变.      

碳/玻璃纤维混杂布加固混凝土梁抗弯性能试验研究

试验研究了碳/玻璃纤维混杂布加固混凝土梁的抗弯性能,并与单一碳纤维布和玻璃纤维布加固梁进行了比较.结果表明,分别与单一碳纤维布和玻璃纤维布加固梁相比,碳/玻璃纤维混杂布加固梁的能量延性系数分别提高了24.0%和25.5%,表明混杂纤维布加固混凝土梁的延性显著优于单一纤维布加固混凝土梁.     

玄武岩织物增强水泥基复合材料拉伸力学性能

利用美特斯(MTS)万能试验机研究了掺入不同体积掺量(0、0.5%、1.0%、1.5%)短切碳纤维、玻璃纤维、钢纤维的2层和3层玄武岩纤维织物增强水泥基复合材料的拉伸力学性能.结果表明:短切碳纤维、玻璃纤维、钢纤维均可明显增加玄武岩纤维织物增强水泥基复合材料的开裂强度,并且存在最优体积掺量;在0~1.5%掺量范围内、2层织物时,开裂强度随着3种短纤维掺量的增加而增加,掺量1.5%时最大;3层织物时,开裂强度随着碳纤维、钢纤维掺量的增加先增加后减小,掺量1.0%时达到最大值,而随着玻璃纤维掺量的增加持续增加,掺量1.5%时最大.短切碳纤维、玻璃纤维不能增加其峰值荷载,而钢纤维则明显提高其峰值荷载,2层织物时最优掺量为1.5%,3层织物时最优掺量为0.5%.     

增强树脂用纤维表面处理研究进展

综述了目前增强树脂用玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维的表面处理方法,同时分析了各种改性技术的特点,并指出了其进一步的发展趋势.     

破片侵彻纤维复合材料板的有限元数值模拟

采用有限元方法对几种不同外形和材料的破片模拟弹垂直侵彻玻璃纤维增强复合材料层合板的动态响应过程进行了模拟分析,研究了靶板有限元模型网格尺度对抗破片侵彻特性模拟计算结果的影响,分析了靶板直径和边界约束条件等因素对复合材料板的抗破片特性的影响。对于厚度为4.0mm以上的较厚靶板,几种常用的13.4g钢质破片模拟弹的外形和材料的差异对侵彻能力影响较小。与已有文献中的实验结果的比较表明:当有限元网格尺度接近复合材料单层厚度时,计算结果的精度较好;当靶板直径大于一个与靶板材料波速相关的临界直径时,靶板直径、边界约束条件对破片模拟弹剩余速度的影响可忽略;完全固支条件的计算结果比简支或自由边界条件更接近于大尺寸靶板的计算结果。     

混杂纤维树脂基复合材料梁试验

为研究碳纤维含量对混杂纤维树脂基复合材料梁性能的影响,进行了4组14根3种不同碳纤维含量的混杂纤维树脂基复合材料HFRP(hybrid fiber reinforced plastic)梁的对比试验,分析了梁的制备工艺稳定性、抗弯刚度提高程度、腹板剪切极限承栽力和受弯构件的可能破坏形式.试验结果表明:成型工艺制备的HFRP梁密度具有良好的均匀性,但抗弯刚度离散性较大;与单一纤维复合材料梁相比,HFRP梁可以有效地提高抗弯刚度,但构件的腹板剪切承载力基本不变;构件会出现翼缘局部破坏、腹板剪切破坏和层间剪切破坏3种破坏形式.     

玻璃钢-聚氨酯泡沫夹层板抗破片侵彻贯穿研究

为研究环氧树脂玻璃钢-聚氨酯泡沫夹层复合材料靶的抗弹性能,利用弹道枪发射钨合金球形破片撞击不同厚度的单层板及不同组合方式的夹层靶板.获得了不同入射速度下靶板的破坏形貌,通过高速摄影测得破片初速与余速,并利用上下调整速度法估算出靶板弹道极限速度,分析了结构特征对复合材料靶比吸收能的影响,在此基础上,对常用理论模型进行计算对比分析.结果表明:玻璃纤维抽拔、拉伸断裂是靶板吸收能量的主要方式;聚氨酯泡沫抗弹性能较差,作为夹层材料主要作用是防护冲击波;靶板的比吸能与面密度之间呈二次函数抛物线关系,而在相同面密度下,夹层板的吸能总体上是随着玻璃钢占比的增加而增强;THOR公式更加适用于这种材料夹层板的弹道极限计算.      

温度和应变率对碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料压缩性能的影响

利用带有温度控制装置的分离式霍普金森杆(SHPB)测试碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料的冲击压缩性能,分析温度和应变率对碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料压缩性能的影响.结果表明:温度和应变率对碳纤维平纹织物/环氧树脂层压复合材料的面外冲击压缩模量、最大应力及破坏形态都有很大影响.随着温度的增加,纤维与树脂界面变弱,最大应力减小,压缩模量减小;随着应变率的增加,最大应力增加,压缩模量变大.通过扫描电子显微镜(SEM)观察发现,纤维与树脂界面在100℃时发生变化,有大量纤维束从经、纬纱中被拉出,导致纤维束无规则断裂.     

纤维复合材料——材料市场中的新型材料

复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。这种新材料既保留原组成材料的重要特色,又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。 纤维复合材料是复合材料按照结构分类中的一种,是以一种纤维材料为基体,另一种纤维材料为增强体,将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成的新材料。各种组成纤维材料在性能上能互相取长补短,产生协同效应,使纤维复合材料的综合性能优于原组成材料,从而满足各种不同需求。例如：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。其中就玻璃纤维而言,由于高强度玻璃纤维性价比较高,因此增长率也比较快,年增长率达到1O％以上。其应用范围也不仅局限于军用方面,民用产品也有广泛应用,如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品,各类耐高温制品以及轮胎帘子线等。 迄今为止,我国高强度玻璃纤维已达到国际先进水平,且拥有自主知识产权,形成了小规模产业,现阶段年产可达500吨。碳纤维复合材料具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能,首先在航空航天领域得到广泛应用,近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。 在纤维复合材料主要应用领域中,由于它与传统材料相比有很多优点：比强度和比模量高;抗疲劳性好;减振能力好;高温性能好;破损安全性好;性能的各向异性及可设计性强等,使得在桥梁和房屋补强、隧道工程以及大型储仓修补和加固中市场前景看好。     

单向混杂复合材料拉伸性能的两级分析

为了研究混杂复合材料的混杂效应,该文建立了单向混杂复合材料拉伸性能的两级三维剪滞模型,第一级模型为纤维和树脂构成的纤维束两相材料体系,第二级模型为2种(或多种)纤维束组成的混杂复合材料体系.纤维的强度基于蒙特卡洛(Monte-Cado)方法,用两参数的韦布尔(Weibull)分布模拟.用此模型模拟了夹芯和分散两种混杂方式、不同混杂比例下的碳/玻混杂单向复合材料棒材的纵向拉伸性能,数值模拟与实验结果吻合.研究发现:在该文的材料体系下.碳纤维体积分数低于或等于5%时,有明显的二次破坏现象.     

交织双轴向纬编针织结构及增强复合材料的拉伸性能

介绍了一种新型的交织双轴向纬编针织结构.以高强涤纶作针织纱.玻璃纤维为衬经和村纬纱线编织出织物样品,采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)加工成复合材料,通过对不同拉伸方向、不同铺层的拉伸试验进行比较.探讨了该复合材料的拉伸性能.结果表明,单层铺层复合材料经纬向的拉伸性能存在较大的差异,拉伸曲线存在拐点,采用双层90.镝层可减少复合材料经纬向拉伸性能的差异,并有效地提高复合材料的拉伸力学性能.