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热塑性树脂基体对超高分子量聚乙烯纤维复合材料力学性能和抗弹道侵彻性能的影响

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复合材料学报 2022年第4期39卷 1570-1581页

作者：何业茂焦亚男周庆陈利天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室天津300387 北京普诺泰新材料科技有限公司北京102200

选用热塑性的水性橡胶、水性聚酯、水性聚氨酯作为基体树脂,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维,采用热压工艺制备单向正交结构的防弹先进复合材料层压板。基于弹道侵彻试验和力学试验研究热塑性树脂基体对防弹先进复合材料弹道... 详细信息

选用热塑性的水性橡胶、水性聚酯、水性聚氨酯作为基体树脂,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维,采用热压工艺制备单向正交结构的防弹先进复合材料层压板。基于弹道侵彻试验和力学试验研究热塑性树脂基体对防弹先进复合材料弹道响应及力学行为的影响。研究结果显示:相比单一的热塑性树脂体系,以热塑性树脂混合体系作为基体制备的UHMWPE复合材料具有更优异的抗弹道侵彻性能、更高的拉伸破坏强度和层间剪切破坏强度,这是由于混合树脂体系中的UHMWPE纤维具有更高的可利用效率;此外,基于横向压缩诱导的间接张力机制和弹道侵彻下的大变形行为诱导的膜力效应,UHMWPE纤维复合材料的抗弹道侵彻性能与其准静态下的拉伸断裂强度、层间剪切强度呈现正相关的关联机制。

关键词：热塑性树脂 UHMWPE纤维抗弹道侵彻性能力学性能复合材料层压板

碳化硅-超高分子量聚乙烯纤维增强树脂基复合材料复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能及其损伤机制

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复合材料学报 2022年第10期39卷 4908-4917页

作者：贾楠焦亚男周庆何业茂陈利天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室天津300387 北京普诺泰新材料科技有限公司北京102200

以碳化硅陶瓷(SiC)作为面板材料,超高分子量聚乙烯纤维增强水性聚氨酯树脂基复合材料层压板(UHMWPE/WPU)作为背板材料,通过真空袋膜压工艺制备SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板。基于弹道冲击试验研究复合装甲板的结构参数对其抗穿甲弹侵彻性... 详细信息

以碳化硅陶瓷(SiC)作为面板材料,超高分子量聚乙烯纤维增强水性聚氨酯树脂基复合材料层压板(UHMWPE/WPU)作为背板材料,通过真空袋膜压工艺制备SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板。基于弹道冲击试验研究复合装甲板的结构参数对其抗穿甲弹侵彻性能的影响,采用X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography,CT)技术,研究复合装甲板在53式7.62 mm穿甲弹以弹速为(808^(+7)_(-8))m/s进行多发弹道侵彻下的损伤模式。研究结果表明:SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的抗多发弹道侵彻能力随着UHMWPE/WPU厚度或SiC厚度的降低而逐渐下降,10 mm厚SiC+13 mm厚UHMWPE/WPU是试验中抗53式7.62 mm穿甲弹多发弹道侵彻的最佳工程应用结构;UHMWPE/WPU面密度的减少不仅影响UHMWPE/WPU的防护效率,其还通过降低对陶瓷面板的支撑作用,间接影响陶瓷的防护效率;弹道侵彻后的复合装甲板的损伤模式包括SiC碎裂、SiC与UHMWPE/WPU的界面破坏及UHMWPE/WPU的绝热剪切破坏、拉伸变形和分层破坏。

关键词：碳化硅陶瓷超高分子量聚乙烯复合装甲板穿甲弹计算机断层扫描(CT)分析损伤机制

纺织复合材料预制体成形过程纤维束摩擦行为研究进展

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摩擦学学报 2022年第5期42卷 874-887页

作者：王玉焦亚男谢军波吴宁陈利天津工业大学复合材料研究院先进纺织复合材料教育部重点实验室天津300387 天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387

预制体是复合材料的增强骨架,由成千上万根纤维束织造而成.预制体中的纤维束由于织造过程中的交织运动会发生不同程度的摩擦损伤,而纤维的磨损会导致预制体力学性能损失率高达9%~12%.因此,揭示纤维束在织造过程中的摩擦磨损机理对提升... 详细信息

预制体是复合材料的增强骨架,由成千上万根纤维束织造而成.预制体中的纤维束由于织造过程中的交织运动会发生不同程度的摩擦损伤,而纤维的磨损会导致预制体力学性能损失率高达9%~12%.因此,揭示纤维束在织造过程中的摩擦磨损机理对提升预制体力学性能具有重要意义.本文中综述了近年来有关纤维束摩擦行为的研究进展:首先,概述纤维束-金属和纤维束-纤维束摩擦测试方法的优缺点;其次,分析得出摩擦角度、摩擦频率、预加张力和法向载荷对纤维束摩擦性能的影响机制;最后,总结纤维束摩擦磨损行为的理论分析模型.本综述中对复合材料预制体成形工艺设计和纤维束摩擦损伤的量化分析具有指导意义.

关键词：纺织复合材料预制体成形过程纤维束摩擦磨损

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碳纤维束-圆辊细观接触行为研究

摩擦学学报 2022年第2期42卷 326-337页

作者：王玉焦亚男杨志谢军波吴宁天津工业大学复合材料研究院纺织复合材料教育部重点实验室天津300387 天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387

为探索碳纤维束-圆辊的接触机制,本文中采用自制摩擦模拟试验装置,结合薄膜压痕法分析了纤维束接触部位的三维(3D)表面形貌,研究了预加张力和接触角度对碳纤维束-圆辊接触面积的影响规律.结果表明:碳纤维束-圆辊接触面内的纤维束取向度... 详细信息

为探索碳纤维束-圆辊的接触机制,本文中采用自制摩擦模拟试验装置,结合薄膜压痕法分析了纤维束接触部位的三维(3D)表面形貌,研究了预加张力和接触角度对碳纤维束-圆辊接触面积的影响规律.结果表明:碳纤维束-圆辊接触面内的纤维束取向度是影响接触面积的关键因素,当接触角度从60°增加到170°时,纤维束取向度逐渐减小,碳纤维束-圆辊接触面积也逐渐减小,且接触角度为60°时的接触面积是170°时的22倍;当预加张力从0.19 N增加到1.47 N时,纤维束取向度逐渐增大,碳纤维束-圆辊接触面积逐渐增大,且预加张力为1.47 N时的接触面积是0.19 N时的2倍.在Hertz接触理论的基础上,考虑纤维束取向度建立碳纤维束-圆辊接触面积的理论预测模型,通过试验数据验证了该模型能够准确预测碳纤维束-圆辊的接触面积.

关键词：碳纤维接触面积接触角度预加张力 Hertz接触

碳化硼陶瓷/超高分子量聚乙烯复合装甲板抗12.7 mm穿甲弹侵彻过程中陶瓷的碎裂行为

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复合材料学报 2023年第6期40卷 3571-3582页

作者：贾楠焦亚男周庆何业茂陈利万喜莉天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室天津300387 北京普诺泰新材料科技有限公司北京102200

陶瓷/UHMWPE复合装甲板以其轻质高强的优异性能广泛应用于弹道防护领域,其通过陶瓷的破碎与背板的变形破坏耗散弹丸动能,其中陶瓷的破碎吸能是消耗动能的主要模式。因此,分析陶瓷的碎裂过程及损伤演化特性,对优化陶瓷复合装甲的防护性... 详细信息

陶瓷/UHMWPE复合装甲板以其轻质高强的优异性能广泛应用于弹道防护领域,其通过陶瓷的破碎与背板的变形破坏耗散弹丸动能,其中陶瓷的破碎吸能是消耗动能的主要模式。因此,分析陶瓷的碎裂过程及损伤演化特性,对优化陶瓷复合装甲的防护性能具有重要意义。本文以碳化硼陶瓷(B_(4)C)作为面板材料,超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)层压板作为背板材料,通过真空袋膜压工艺制备B_(4)C/UHMWPE复合装甲板。采用54式12.7 mm穿甲弹以弹速(488±10)m/s侵彻复合装甲板,研究复合装甲板的抗侵彻性能;基于X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography,CT)技术和断口形貌观察,分析复合装甲板的弹道侵彻响应机制及B_(4)C陶瓷的破碎行为和特征参数。研究结果表明:B_(4)C陶瓷的破碎区域呈现双圆台状;陶瓷的响应区域包括陶瓷板背面的超前破碎区、弹道侵彻后剩余的陶瓷板、弹丸正下方的碎片-完全粉化区;B_(4)C陶瓷内的自由面锥角与复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能存在明显正相关性;B_(4)C/UHMWPE复合装甲板的响应过程包括冲击波传播过程及诱导陶瓷内自由面生成、B_(4)C陶瓷的破碎过程、UHMWPE层压板的压缩-剪切-拉伸的耦合过程。

关键词：碳化硼陶瓷复合装甲板 12.7 mm穿甲弹陶瓷破碎超高分子量聚乙烯 CT分析

三维角联锁机织铺层复合材料的拉伸性能与失效机制

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复合材料学报 2022年第7期39卷 3167-3177页

作者：朱超吴宁张一帆焦亚男陈利刘刚天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室天津300387 东华大学先进低维材料中心纤维材料改性国家重点实验室上海201620

采用树脂传递模塑(Resin transfer molding,RTM)工艺方法制备了三维角联锁机织铺层复合材料,着重探讨了单层厚度对复合材料拉伸性能以及失效机制的影响。结果表明,复合材料的拉伸强度随着单层厚度的增大而显著增加,纤维体积含量相同时... 详细信息

采用树脂传递模塑(Resin transfer molding,RTM)工艺方法制备了三维角联锁机织铺层复合材料,着重探讨了单层厚度对复合材料拉伸性能以及失效机制的影响。结果表明,复合材料的拉伸强度随着单层厚度的增大而显著增加,纤维体积含量相同时单层厚度对拉伸模量影响较小;在拉伸断裂过程中,各层断裂不同步,单层厚度的增加会加深各单层之间破坏应变的差异;失效试样分层现象显著,单层内未出现明显裂纹,经纱脆性断裂显著,层间伴随着大量基体碎屑,失效模式主要涵盖了纤维断裂和抽拔、界面脱黏、基体开裂以及分层。

关键词：三维机织物 2.5D 单层厚度拉伸性能失效机制

孔洞型碳纤维三轴机织物/环氧树脂复合材料的弯曲和拉伸性能

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复合材料学报 2022年第7期39卷 3191-3201页

作者：杨晓亚焦亚男何业茂宗香君陈利天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室天津300387 北京普诺泰新材料科技有限公司北京102200

以T300碳纤维为增强纤维材料,环氧树脂为树脂基体,采用树脂膜熔渗(Resin film infusion,RFI)工艺制备碳纤维三轴机织物/环氧树脂(Triaxial woven fabric/epoxy resin,TWF/EP)复合材料。通过三点弯曲试验和拉伸试验研究了复合材料试样的... 详细信息

以T300碳纤维为增强纤维材料,环氧树脂为树脂基体,采用树脂膜熔渗(Resin film infusion,RFI)工艺制备碳纤维三轴机织物/环氧树脂(Triaxial woven fabric/epoxy resin,TWF/EP)复合材料。通过三点弯曲试验和拉伸试验研究了复合材料试样的面内弯曲性能和面内拉伸性能,采用3D轮廓仪观察拉伸试验后试样的损伤形貌,并分析其损伤机制。研究结果表明:TWF/EP复合材料的弯曲弹性模量表现为准各向同性,复合材料的孔洞率、碳纤维束规格与弯曲弹性模量呈现显著正相关性,与拉伸模量呈现负相关性。在拉伸载荷作用下,TWF/EP复合材料的主要失效模式包括纤维束断裂、纤维束拔出和交错失效,拉伸断裂机制主要为纯剪切破坏、扭转剪切破坏、拉剪耦合破坏。此外,在渐进损伤过程中,应变集中区发生在纱线交织点处。

关键词：碳纤维三轴机织复合材料准各向同性弯曲性能拉伸性能损伤模式

弹道防护用超高分子量聚乙烯纤维增强热塑性树脂基复合材料的拉伸力学行为

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复合材料学报 2023年第1期40卷 119-130页

作者：何业茂焦亚男周庆贾楠陈利万喜莉天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室天津300387 北京普诺泰新材料科技有限公司北京102200

以弹道防护用超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维增强热塑性树脂基复合材料作为研究对象,通过热压工艺制备单向正交结构的复合材料层压板。基于自主设计的拉伸试验装置,开展UHMWPE纤维增强热塑性... 详细信息

以弹道防护用超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维增强热塑性树脂基复合材料作为研究对象,通过热压工艺制备单向正交结构的复合材料层压板。基于自主设计的拉伸试验装置,开展UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在宏观尺度和准细观尺度上的面内拉伸试验,研究其面内拉伸力学性能及失效模式。研究结果显示:弹道防护用UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在准细观尺度上的面内拉伸力学性能是其本征性能;随着偏轴角度的增加,拉伸断裂强度呈现指数型下降,这是由于失效模式由纤维的拉伸断裂破坏转变为纤维-树脂基体的界面破坏;此外,其在宏观尺度上的拉伸破坏强度比在准细观尺度上的拉伸断裂强度降低了50.52%,这是由于宏观尺度上的面内拉伸力学响应是其面内拉伸变形和层间分层破坏的耦合结果,即层压板的叠层效应。

关键词： UHMWPE 复合材料拉伸性能力学行为失效模式准细观尺度

碳化硼陶瓷/UHMWPE复合装甲板抗12.7 mm穿甲弹侵彻过程中陶瓷的碎裂行为

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复合材料学报 2022年

作者：贾楠焦亚男周庆何业茂陈利万喜莉天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室北京普诺泰新材料科技有限公司天津工业大学纺织科学与工程学院

陶瓷/UHMWPE复合装甲板以其轻质高强的优异性能广泛应用于弹道防护领域，其通过陶瓷的破碎与背板的变形破坏耗散弹丸动能，其中陶瓷的破碎吸能是消耗动能的主要模式。因此，分析陶瓷的碎裂过程及损伤演化特性，对优化陶瓷复合装甲的防...

陶瓷/UHMWPE复合装甲板以其轻质高强的优异性能广泛应用于弹道防护领域，其通过陶瓷的破碎与背板的变形破坏耗散弹丸动能，其中陶瓷的破碎吸能是消耗动能的主要模式。因此，分析陶瓷的碎裂过程及损伤演化特性，对优化陶瓷复合装甲的防护性能具有重要意义。本文以碳化硼陶瓷(BC)作为面板材料，超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE)层压板作为背板材料，通过真空袋膜压工艺制备BC/UHMWPE复合装甲板。采用54式12.7 mm穿甲弹以弹速488±10 m/s侵彻复合装甲板，研究复合装甲板的抗侵彻性能；基于X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography，CT)技术和断口形貌观察，分析复合装甲板的弹道侵彻响应机制，以及BC陶瓷的破碎行为和特征参数。研究结果表明：BC陶瓷的破碎区域呈现双圆台状；陶瓷的响应区域包括陶瓷板背面的超前破碎区、弹道侵彻后剩余的陶瓷板、弹丸正下方的碎片-完全粉化区；BC陶瓷内的自由面锥角与复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能存在明显正相关性；BC/UHMWPE复合装甲板的响应过程包括冲击波传播过程及诱导陶瓷内自由面生成、BC陶瓷的破碎过程、UHMWPE层压板的压缩-剪切-拉伸的耦合过程。

关键词：