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剪切增稠液体增强复合材料的制备与抗冲击性能研究

秦信帝  
【摘要】:人工合成的纤维制品已经广泛应用在工农业生产生活的各个层面,对现代社会的发展起到重要的推动作用。然而,纤维布容易被一些尖锐的物品刺穿,纤维板材在受到高的能量冲击时容易产生断裂、分层等情况,一定程度上限制了纤维制品的使用领域。剪切增稠液体(shear thickening fluid,STF)作为一种特殊的流体,其粘度会随着剪切速率的增加而增大,若将其加入到纤维布、纤维板中,有望提升纤维制品的抗冲击性能。本论文研究了STF以及STF-纤维布、STF-纤维板复合材料的制备工艺,并利用扫描电子显微镜、体视显微镜、高级旋转流变仪、傅里叶红外光谱研究了这些复合材料的微观结构、抗冲击性能和抗刺穿性能。主要研究结论如下:(1)实验发现,二氧化硅质量分数对STF的抗剪切性能具有重要的影响。随着二氧化硅质量分数的增加,STF的粘度会相应的增加,从而提高了STF的抗剪切性能。剪切增稠分为四个阶段,即:剪切不稳定、剪切变稀、剪切增稠、再次剪切变稀。(2)STF增强的纤维布复合材料具有很好的抗冲击性能。实验发现,在低速单层条件下,加入STF改善了玻璃纤维布、碳纤维布、凯夫拉纤维布的抗冲击能力。在低速双层条件下,加入STF的碳纤维布和凯夫拉纤维布复合材料比加入STF的玻璃纤维布复合材料具有更好的抗冲击能力,可以抵抗3.13 m/s的冲击。在高速冲击下,四层的STF-凯夫拉纤维布复合材料就可以承受173 m/s的冲击。(3)STF和偶联剂显著增强了纤维板复合材料的弹道抗冲击性能。实验发现,单独加入STF或偶联剂对纤维板复合材料的弹道抗冲击性能虽然有一定影响,但是同时加入STF和偶联剂能大大提高纤维板复合材料的弹道抗冲击性能。对于5层的纤维板复合材料,STF和偶联剂的加入降低了玻纤板材、碳纤板材和凯夫拉纤维板材的损伤深度,提高了弹道抗冲击力,最高可以抗击5 J的冲击力。


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