连续玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石作为原料,将其破碎后加入熔窑中,熔融后通过铂铑合金拉丝漏板制成的[4]。它与玻璃纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维等相比具有独特的优点[5]:(1)原料来源广泛,成本低;(2)突出的耐高温性能;(3)耐酸碱腐蚀性能优异;(4)电磁波透过性好;(5)吸湿率比玻璃纤维低6~8倍。因而连续玄武岩纤维增强树脂基复合材料以其独特的性能在冶金、化工、建筑、航空航天、兵器等领域将具有较广阔的应用前景[6]。本试验对基体树脂种类与含量、纤维织物结构以及纤维表面处理对玄武岩纤维复合材料抗冲击性能的影响进行了研究。
1 实验部分
1.1 主要原材料和设备
主要原材料:连续玄武岩纤维,φ7μm,上海俄金玄武岩纤维有限公司;环氧乙烯基树脂,Arotech7121,济南扬程实业有限公司;硅烷偶联剂,KH550,南京立派化工有限公司。
主要设备仪器:DSC-1缠绕机,哈尔滨玻璃钢研究所生产;YX-100压力成型机,上海伟力机械厂制造;QUANTA200型扫描电子显微镜,美国FEI公司。
1.2 实验方法
1.2.1 纤维表面处理
将KH550处理剂配成浓度为2%的水溶液,将连续玄武岩纤维放入处理剂溶液中浸泡,至规定时间后取出放入真空烘箱,在80℃下真空加热30min除去溶剂,再在110℃下反应90min。
1.2.2 靶板制备
纤维在缠绕机上完成预浸料制备。将预浸料放在模具里,升温至140℃,在5MPa压力下固化成型为玄武岩纤维复合材料靶板。
1.2.3 v50测试和比吸能计算
v50弹道极限速度是评估材料抗冲击性能的一个重要指标[7]。v50的计算公式:
式中,m为弹体质量,vs、vr分别为弹体入靶速度和出靶速度。比吸能性是靶板吸收能量与靶板面密度之比,其计算公式为:
Sea=m v502/2ρs(2)
式中,Sea-靶板比吸能;m-入射弹丸质量;ρs-靶板面密度。
本试验采用7·62mm 53式弹道枪,使用1·1g碎片模拟弹进行v50和比吸能性的测试。
2 结果与讨论
2 .1 纤维表面处理对复合材料抗冲击性能的影响
在KH550处理剂中的双官能团可以分别与玄武岩纤维及环氧树脂进行反应。纤维经过表面处理以后,与基体材料的结合状况会得到加强,从而影响到复合材料的抗冲击性能。纤维经过表面处理以后所制备的复合材料抗冲击性能如表1所示,图1为靶板断口的SEM照片。
从表1可以看到,用处理剂对纤维表面进行处理以后,抗冲击性能有所下降,而处理时间对其抗冲击性能影响不十分明显。从图1可以发现,未经表面处理的纤维复合材料在受到弹丸冲击作用时,靶板断口处的纤维会从基体中发生“拔脱”现象,“拔脱”出的纤维表面仍然带有少量的树脂,这种“拔脱”可以消耗弹丸的冲击能量。而纤维经过表面处理以后,纤维与基体材料的结合力大大增强,在弹丸的瞬时冲击作用下,纤维只是在靶板断口处发生断裂,这使得复合材料可以吸收弹丸冲击能量减少,因而抗冲击性能下降。此外由于表面处理剂与纤维表面和基体树脂之间均为化学连接,在化学反应达到平衡以后,延长处理时间对于处理效果的影响较小,因此对其抗冲击性能的影响也就较小。
2.2 织物面密度对复合材料抗冲击性能的影响在靶板厚度一定的情况下,随着织物面密度的减少,复合材料的铺层层数会增加,对复合材料的抗冲击性能有很大影响,如图2所示。
从图2可以看到,随着织物面密度的增加,复合材料的抗冲击性能呈现下降趋势。这主要是由于当织物面密度较小时,在相同厚度条件下复合材料的铺层层数较多。在受到弹丸冲击作用时,由于同一弹丸所产生的冲击波的传播速率是一定的,因此在同一时间段内会有较多的纤维参与对弹丸冲击能量的吸收,同时由于铺层层数的增加,使得冲击波在各层之间的反射次数增多,衰减作用加大,因而复合材料的抗冲击性能也就较高。
2.3 纤维体积含量对复合材料抗冲击性能的影响
纤维为复合材料的主要增强相,因此纤维体积含量对于复合材料的抗冲击性能有很大影响。不同纤维体积含量下复合材料的抗冲击性能结果如图3所示。
从图3可以看到,随着纤维体积含量增加,复合材料的抗冲击性能也增大。这主要是由于纤维体积含量增加使得纤维之间的协同作用增强,弹丸的冲击作用可以同时由更多的纤维来分担,从而使得抗冲击性能增加。
2.4 连续玄武岩纤维复合材料抗冲击机理
弹丸对连续玄武岩纤维复合材料板的冲击损伤如图4所示。弹体进入一侧有整齐的纤维断头。弹体未穿透靶板时,靶板背面有较大的鼓包,靶板沿厚度方向的后半部分出现明显分层,靶板最外层被撕起一些小窄条,弹体射出面有明显弹孔。
根据弹体侵彻复合材料靶板的现象及图1靶板断口的SEM照片可以看出,弹体侵彻过程较复杂。当弹体击中靶板时,靶板表面的纤维首先由于受到剪切力的作用而断裂。此后由于弹体的冲击作用而在靶板内部产生张力波,张力波以两个方向向外传播。一是张力波以连续的脉冲沿纤维的轴向传播,先受到冲击的纤维与别的纤维通过基体树脂及交错点的相互作用,在很多纤维上扩散开来,能量在相当大的面积上被吸收;二是张力波沿靶板纵向传播。张力波在靶板的织物和基体树脂界面及靶板自由面之间产生连续反射,使压应力变为拉应力,当拉应力值大于纤维和基体树脂之间的粘接强度时,导致靶板分层,吸收弹体部分能量。由于纤维和基体材料应变波速不同,在纤维与基体材料有适中的结合强度时,会导致纤维从基体材料中“拔脱”,纤维“拔脱”所做的功将吸收弹体的部分能量。随着弹体更深入侵彻,纤维受到拉伸变形以及靶板局部变形,弹体的动能转化为纤维的弹性势能和靶板局部变形做的切向功。当纤维的应变大于其极限应变时,则纤维断裂。如果弹体仍具有多余的动能,则进一步侵彻下一铺层,直至弹体动能完全被消耗。若靶板较薄,则被弹体穿透。通过以上分析可知,连续玄武岩纤维复合材料靶板受到弹体冲击作用时的能量吸收形式主要为靶板局部变形、分层和纤维拉伸、剪切断裂及纤维拔脱。
3 结 论
(1)对于连续玄武岩纤维增强的环氧树脂基复合材料,用表面处理剂对纤维进行表面处理以后,纤维与环氧树脂之间的结合力增大,但复合材料的抗冲击性能反而下降,说明纤维与基体树脂间有适中的结合强度时复合材料会有较佳的抗冲击性能。
(2)织物面密度及纤维体积含量均会影响复合材料抗冲击性能的大小。在织物面密度较小,纤维体积含量较高时,复合材料会具有更优的抗冲击性能。
(3)弹丸对连续玄武岩纤维复合材料的冲击过程较为复杂,其冲击能量会通过复合材料靶板的局部变形、分层以及纤维拉伸、剪切断裂和纤维从基体树脂中“拔脱”而被吸收。
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