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玄武岩纤维增强复合材料的制备及性能研究

作　者: 朱钦钦
导　师: 毕松梅
学　校: 安徽工程大学
专　业: 纺织材料与纺织品设计
关键词: 玄武岩纤维 PP 有限元分析偶联剂等离子体结晶性
分类号: TQ327
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

连续玄武岩纤维是由前苏联科学家最初开发的能降解为土壤母质的一种新型绿色环保纤维。该纤维具有独特的力学、耐高温以及耐酸碱腐蚀等优良性能,作为复合材料的增强体,它在一定程度上可替代玻璃纤维和碳纤维。但是与其他高性能无机纤维相类似,玄武岩纤维表面呈化学惰性,与基体树脂的浸润性差,复合材料界面相容性差,玄武岩纤维无法充分发挥自身的力学性能优势,从而影响复合材料的各项性能。针对上述问题,本课题采用玄武岩纤维作为增强体、聚丙烯(PP)作为基体制备玄武岩/PP复合材料,研究模压成型工艺参数对复合材料力学性能的影响,并对复合材料的界面、结晶性能进行研究,主要研究内容如下：1.课题采用模压工艺制备复合材料,模压成型工艺参数对复合材料的力学性能有很大的影响。本课题采用单因子试验法研究压力、温度、保压时间和纤维重量含量对复合材料力学性能的影响。通过力学性能的测试及对比,同时考虑到纤维含量较多时,基体树脂不能完全地包覆所有的纤维,部分纤维在复合材料中呈现游离状态,材料拉伸断裂时容易发生应力集中现象,所以最终选取的最佳工艺参数为：温度190℃、压力1OMPa、保压时间10min和纤维重量含量30%,此时复合材料的拉伸强度为194.667MPa,抗弯强度为44.714MPa。2.由于复合材料的制备过程及试件的加工过程受人为因素、环境因素的影响,而且试样测试时夹具的夹紧程度很难保持一致,复合材料的性能具有一定的偶然性,所以,课题采用ANSYS有限元分析软件模拟复合材料的模压制备过程,并对复合材料的拉伸过程进行模拟分析,从而验证最佳工艺的可靠性。由软件分析结果可知：试样应力最大处出现在试样的平直段端部附近,与实际试样的断裂位置一致,且最大应力为195.2MPa,与实验测得的结果194.667MPa极为接近,从而证实了通过以上工艺方法制备复合材料的可靠性。3.采用不同浓度、种类的硅烷偶联剂处理玄武岩纤维,研究偶联剂处理以及纤维含量对复合材料力学性能的影响。在考虑复合材料主要因素力学性能的前提下,结合经济效益、每平方米克重等因素,最终得出玄武岩经0.75%KH550改性、PP与玄武岩纤维的重量比为70：30时,复合材料的拉伸强度和抗弯强度最佳,分别比未改性时的提高了49.8%和10.8%。4.利用冷等离子体对玄武岩纤维进行改性处理,采用正交试验法分析研究等离子体处理的工艺参数对复合材料力学性能的影响。结果表明：当真空度为20Pa、功率为100W、处理时间为5min、纤维含量为30%,复合材料的拉伸强度和抗弯强度比未改性时的分别提高了26.9%和12.5%。5.采用DSC分析技术对玄武岩/PP复合体系的结晶性能进行研究。分析结果显示：在玄武岩/PP复合体系中,玄武岩纤维的加入、偶联剂改性以及等离子体改性均起到了PP结晶时成核剂的作用,有利于PP大分子链有序排列而形成晶核,加快了PP异相成核的速度,使PP的结晶度增加；但纤维经适宜浓度KH550处理对PP结晶度的影响则要大于等离子体处理的,这也与偶联剂和等离子体改性对复合材料力学性能的影响规律一致。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-12
目录  12-14
第1章绪论  14-23
  1.1 引言  14-15
  1.2 玄武岩纤维增强复合材料的研究进展  15-20
    1.2.1 玄武岩纤维的发展  15
    1.2.2 玄武岩纤维的组成及性能  15-18
    1.2.3 玄武岩纤维复合材料的发展概况  18-20
  1.3 本课题研究的目的意义  20-21
  1.4 研究内容和方法  21-23
第2章玄武岩纤维增强复合材料的制备  23-31
  2.1 原材料的选择  23-24
    2.1.1 增强体的选择  23-24
    2.1.2 基体的选择  24
  2.2 复合材料的制备方法  24-26
    2.2.1 手糊成型  24-25
    2.2.2 模压成型  25
    2.2.3 喷射成型  25
    2.2.4 纤维缠绕成型  25-26
    2.2.5 注射成型  26
  2.3 玄武岩/PP复合材料的制备  26-28
    2.3.1 实验材料及仪器  26
    2.3.2 玄武岩/PP的制备  26-28
  2.4 试验方案的设计  28-30
    2.4.1 影响因素  28-29
    2.4.2 试验方案的设计  29-30
  2.5 小结  30-31
第3章复合材料的力学性能测试与分析  31-40
  3.1 复合材料的力学性能测试  31-33
    3.1.1 拉伸性能测试  31-32
    3.1.2 弯曲性能测试  32-33
  3.2 测试结果及其分析  33-37
    3.2.1 温度对玄武岩增强复合材料力学性能的影响  33-34
    3.2.2 压力对玄武岩增强复合材料力学性能的影响  34-35
    3.2.3 保压时间对玄武岩增强复合材料力学性能的影响  35-36
    3.2.4 纤维含量对玄武岩增强复合材料力学性能的影响  36-37
  3.3 复合材料拉伸断口形式分析  37-38
  3.4 不同织物组织对复合材料性能的影响  38-39
  3.5 本章小结  39-40
第4章拉伸试样的ANSYS分析  40-50
  4.1 简介  40
  4.2 定义单元模型及材料属性  40-43
    4.2.1 单元模型的选择与定义  40-41
    4.2.2 定义材料属性  41-43
  4.3 几何模型创建与网格划分  43-46
    4.3.1 创建几何模型  43-46
    4.3.2 网格划分  46
  4.4 试样加载  46-47
  4.5 有限元计算及结果分析  47-49
  4.6 结论  49-50
第5章玄武岩/PP复合材料的界面优化  50-62
  5.1 复合材料的界面  50-54
    5.1.1 界面的形成  50-51
    5.1.2 界面的作用机理  51-52
    5.1.3 影响界面黏结强度的因素  52
    5.1.4 纤维表面改性  52-54
  5.2 实验部分  54-55
    5.2.1 实验原料  54
    5.2.2 实验仪器  54-55
  5.3 实验结果及分析  55-61
    5.3.1 偶联剂改性处理  55-58
    5.3.2 等离子体改性  58-61
  5.4 小结  61-62
第6章复合材料结晶性能的分析与研究  62-70
  6.1 引言  62-63
    6.1.1 结晶性高聚物  62
    6.1.2 聚丙烯的结晶过程  62-63
  6.2 实验部分  63-64
    6.2.1 实验样品  63
    6.2.2 实验仪器  63-64
    6.2.3 DSC测试原理  64
  6.3 实验结果及分析  64-68
    6.3.1 纤维含量对PP结晶性能的影响  64-66
    6.3.2 纤维改性处理对PP结晶性能的影响  66-68
  6.4 结论  68-70
第7章结论与展望  70-72
  7.1 结论  70-71
  7.2 展望  71-72
参考文献  72-78
攻读学位期间发表的学术论文目录  78-79
致谢  79

玄武岩纤维增强复合材料的制备及性能研究

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