纤维长度以及排向对喷射成型复合材料力学性能的影响

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当今,随着科学技术的进步,对材料提出了越来越高的要求。高性能纤维增强复合材料因其优良的性能,如密度低,强度高,热膨胀系数低,耐腐蚀,疲劳使用寿命长,易于成型等优点吸引了各个领域广泛的关注。  针对影响复合材料性能因素诸多以及破坏机理较为复杂的问题,如增强纤维良莠不齐,增强相的排布不匀,界面集合牢度差及成型方法种类各异等。本文对以喷射成型方法制备的玻璃纤维增强不饱和树脂复合材料的力学性能进行一系列研究。众所周知,在纤维增强复合材料领域中,增强纤维的长度对材料性能的影响举足轻重,临界纤维长度的存在使得高性能复合材料的设计并且节约企业生产成本有据可依。本研究重点设计了4mm,8mm,16mm,25mm和50mm五种不同玻璃纤维长度梯度增强不饱和树脂的复合材料,控制增强纤维体积含量与试样方向,尝试研究找到增强纤维长度对于喷射成型复合材料的力学性能影响,界定材料的临界纤维长度。此外,通过控制成型过程中的相同的增强纤维的体积含量及纤维长度,制备平行,斜度和垂直三种不同方向样品并进行力学性能测试对比。  不同长度的纤维必然在复合材料中具有不同的混合均匀度及排列方式,短纤维在成型的剪切中易于分散,而长纤维在与树脂混合过程中容易缠结在一起被喷射到模具上,而且,由于喷射成型工艺本身的特点,容易造成复合材料的各向异性。本文也从喷射成型工艺着手,对玻璃纤维增强不饱和树脂复合材料的纤维长度,混合度以及排列进行了研究。  本文通过对实验设计样品进行拉伸弯曲等力学测试以及光学电镜等断面的观察,发现对于喷射成型玻璃纤维增强复合材料而言,在相同增强纤维体积分数情况下,复合材料机械性能是随着增强相纤维长度的增加而增强的,当纤维长度超过8mm以及增加到50mm,复合材料的力学性能是几乎不变的。分析发现不够理想的纤维取向度是导致4mm玻纤增强复合材料力学性能相对差的原因;而相对好的纤维与树脂界面性能是导致复合材料力学性能随着纤维长度从8mm增长到50mm没有太大变化的原因。另外,复合材料方向性的研究发现,玻璃纤维增强不饱和树脂复合材料是各相异性的,大多数的纤维是沿着设定的平行方向或者说0度方向,这也是导致平行方向的力学性能要优于垂直方向和斜度方向的原因。此外,研究发现,玻璃纤维增强不饱和树脂喷射成型复合材料在弯曲破坏中存在明显分层现象,导致弯曲模量低于拉伸模量。最后,本文利用理论公式计算复合材料拉伸模量,结果略高于实验值。
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