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聚乙烯自增强复合材料的制备与力学性能研究

庄兴民  
【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、层间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


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