免费论文：高强高分子纤维及其复合材料的老化行为研究

对位芳纶纤维（以下简称芳纶纤维）和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维及其复合材料广泛应用于防护领域，如防护服、防护头盔和防护插板。防护材料在服役过程中，要面临多变且苛刻的气候环境，如高温高湿的热带雨林气候、环境温度高达50℃的沙漠气候（地表温度高达70℃）、环境温度低于-40℃寒带气候。因此，深入研究它们在不同环境中宏观性能和微观结构的演变，建立材料选择和寿命预测方法具有重要意义。本文采用加速老化方法和同步辐射2D小角散射（SAXS）为特色的表征手段，研究芳纶纤维和UHMWPE纤维及其复合材料的老化行为，尤其是皮芯为结构演变趋势行为，为实际应用提供科学依据。本论文主要由六章内容组成：第一章 绪论。介绍了芳纶纤维和UHMWPE纤维的结构特点及其老化行为；讨论了小角散射技术分析高强纤维老化过程中微观结构演变的可行性；简述了UHMWPE纤维和芳纶纤维复合材料的结构特点及其老化行为。在此基础上，归纳了UHMWPE纤维和芳纶纤维及其复合材料老化行为研究中存在的问题，提出了本论文的研究目标和主要内容。第二章 芳纶纤维微观结构与性能研究。分析了8种国内外芳纶纤维的取向度和第二畸变系数，建立了取向度和第二畸变系数与拉伸模量的关系；研究了7种不同拉伸强度的芳纶纤维微孔结构，建立了微孔长度、微孔取向度与拉伸强度的关系；采用LS-DYNA模拟了破片与芳纶织物的碰撞过程，建立了织物模拟破片防护性能与纤维拉伸强度的关系。第三章 芳纶纤维加速老化行为研究。采用水浴加速老化芳纶纤维，分析了湿热老化温度和老化时间对纤维拉伸强度、化学结构、结晶结构、皮芯结构、微孔结构的影响，建立了湿热老化芳纶纤维拉伸强度与相对分子量、皮芯结构和微孔结构的关系，提出了芳纶纤维在湿热环境中可能的老化机理。采用模拟自然环境加速老化芳纶纤维，研究了微观形貌和表面化学结构的演变规律，确立了模拟自然环境老化芳纶纤维拉伸性能与相对分子量的关系。比较了两种老化环境中芳纶纤维皮和芯降解差异。第四章 芳纶/聚乙烯醇缩丁醛（PVB）－酚醛复合材料（以下简称芳纶复合材料）的加速老化行为研究。采用热氧加速老化芳纶复合材料，分析了热氧老化温度和老化时间对芳纶复合材料化学结构、热稳定性、动态粘弹性和抗弯性能的影响，提出了芳纶复合材料热氧环境可能的老化机理。采用环境箱加速老化芳纶复合材料，研究了湿、光和热复合因素对芳纶复合材料表面形貌、动态粘弹性和抗弯性能的影响。第五章 UHMWPE纤维的加速老化行为研究。采用热氧加速老化UHMWPE纤维，分析了热氧老化温度对UHMWPE纤维拉伸强度、蠕变性能、动态粘弹性、表面形貌、化学结构、结晶结构和微孔结构的影响，提出了UHMWPE纤维热氧环境可能的老化机理。采用环境箱模拟自然环境加速老化UHMWPE纤维，研究了湿、热、光复合因素对UHMWPE纤维拉伸性能、动态粘弹性、表面形貌、化学结构、结晶结构和微孔结构的影响，建立了模拟自然环境UHMWPE纤维拉伸强度与微孔长度的关系，提出了UHMWPE纤维模拟自然环境可能的老化机理。第六章 UHMWPE纤维/苯乙烯-氢化丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）复合材料（以下简称UHMWPE复合材料）的热氧老化行为研究。分析了热氧老化温度和老化时间对UHMWPE复合材料化学结构、动态粘弹性、界面性能和抗弯性能的影响，研究了UHMWPE复合材料模拟破片防护性能的衰减规律，提出了UHMWPE复合材料热氧环境可能的老化机理。本文的主要贡献如下：（1）采用同步辐射2D小角散射（SAXS）分析了不同芳纶纤维拉伸强度微孔结构，发现微孔的长度与拉伸强度成反比，且微孔的取向与结晶区的取向基本一致，表明微孔主要来源于结晶的缺陷所致，为芳纶纤维优选提供了科学依据。（2）将同步辐射2D小角散射应用于芳纶和UHMWPE纤维的老化行为研究。芳纶纤维微孔和微纤结构的演变行为表明芳纶纤维的湿热老化存在两个机理：微纤间连结带的水解和无定形区的分子链的水解。UHMWPE纤维在模拟自然环境中容易发生氧化，纤维内微孔数量增加，结构规整性变差。（3）研究了不同环境下芳纶纤维皮芯结构的演变规律。结果表明芳纶纤维湿热环境的结构演变以芯层降解为主，而模拟自然环境中则以皮层降解为主；阐明了分析皮层和芯层降解对芳纶纤维拉伸强度影响趋势。（4）将结构用复合材料通用的力学性能表征方法应用于防护复合材料的老化行为研究中。结果表明：抗弯性能可有效的表征树脂和界面的性能，短梁剪切法则不适合低树脂复合材料的层间剪切强度的表征。

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