三維編織超高分子量聚乙烯纖維-碳纖維混雜復(fù)合材料性能研究.pdf

1、三維編織復(fù)合材料具有很高的彎曲強(qiáng)度和沖擊韌性、極高的疲勞強(qiáng)度和抗損傷性能及優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性和成型加工性,極適于制備骨科內(nèi)固定裝置,是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜕锊牧?超高分子量聚乙烯纖維作為新型的高性能有機(jī)纖維的代表,良好的生物相容性和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性使其在生物復(fù)合材料領(lǐng)域嶄露頭角.因此制備三維編織超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料,并將其應(yīng)用于骨科內(nèi)固定生物醫(yī)用領(lǐng)域具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義. 本文采用樹脂傳遞模塑(RTM)成型工藝制備了

2、三維編織超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂(ER)復(fù)合材料(UH<,3D>/ER)及三維編織UH/CF/ER混雜復(fù)合材料,并系統(tǒng)地研究其力學(xué)性能、吸濕行為、摩擦磨損性能以及低周疲勞性能,同時(shí)對(duì)混雜效應(yīng)系數(shù)、吸濕行為以及摩擦系數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè). 研究結(jié)果表明,在纖維總體積含量一定的情況下,隨著碳纖維(F)含量的提高,三維編織UH/CF/ER混雜復(fù)合材料的彎曲及縱向壓縮性能提高,而縱向剪切強(qiáng)度及沖擊性能降低,且彎曲強(qiáng)度表現(xiàn)

3、出負(fù)的混雜效應(yīng),橫向剪切強(qiáng)度及沖擊性能表現(xiàn)正的混雜效應(yīng),而彎曲模量、縱向剪切強(qiáng)度及縱向壓縮強(qiáng)度與混合定律符合較好；三維編織UH/CF/ER.混雜復(fù)合材料的破壞機(jī)理與UHMWPE纖維和CF自身性能及二者的混雜比密切相關(guān)；三維編織UH/CF/ER混雜復(fù)合材料的混雜效應(yīng)系數(shù)與纖維分散度、纖維分布方式及相對(duì)含量、加載方式等因素有關(guān).由本文建立的混雜效應(yīng)系數(shù)估算方法獲得的混雜復(fù)合材料的橫、縱剪切強(qiáng)度與試驗(yàn)值符合較好. 在75﹪相對(duì)濕度下,

4、CF幾乎不吸濕,UHMWPE纖維的平衡吸濕率僅為0.35﹪,而芳綸纖維(KF)的吸濕率已超過5﹪,并有繼續(xù)增大的趨勢(shì)；與純環(huán)氧樹脂相比,UH<,3D>/ER和UH<,L>/ER復(fù)合材料在37℃蒸餾水中的吸濕速率及吸濕率較高.纖維表面處理可有效降低UH<,3D>/ER復(fù)合材料的吸濕速率及吸濕率. 三維編織UH/CF/ER混雜復(fù)合材料在37℃蒸餾水中的吸濕動(dòng)力學(xué)曲線介于UH<,3D>/ER和CF<,3D>)/ER復(fù)合材料之間.UH<

5、,3D>/ER、CF<,3D>/ER復(fù)合材料及三維編織UH/CF/ER混雜復(fù)合材料的吸濕動(dòng)力學(xué)曲線表現(xiàn)出相似的雙階段特征,即第一階段為典型的Fick擴(kuò)散,第二階段的吸濕率與時(shí)間的平方根依然呈線性關(guān)系,但不可用Fick定律加以描述；采用雙階段數(shù)學(xué)模型對(duì)UH<,3D>/ER及三維編織UH/CF/ER.混雜復(fù)合材料的吸濕行為進(jìn)行預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好；在0.42 m/s和100 N條件下,隨著纖維體積含量的增加,UH<,3D>/ER復(fù)合

6、材料的摩擦系數(shù)及比磨損率降低.UH<,3D>/ER復(fù)合材料主要發(fā)生粘著磨損,并伴有一定的磨粒磨損；在0.42 m/s和100 N條件下,CF<,3D>/ER、KF<,3D>/ER及UH<,3D>/ER復(fù)合材料的摩擦系數(shù)依次降低,CF<,3D>/ER復(fù)合材料的比磨損率最低,KF<,3D>/ER及UH<,3D>/ER復(fù)合材料的比磨損率略高,且二者相差不大.KF<,3D>/ER及UH<,3D>/ER復(fù)合材料主要發(fā)生粘著磨損,并伴有一定的磨粒磨

7、損,而CF<,3D>/ER復(fù)合材料則以磨粒磨損為主；在總纖維體積含量一定的情況下,碳纖維的含量增加,三維編織UH/CF/ER混雜復(fù)合材料的摩擦系數(shù)增大,而比磨損率降低.三維編織UH/CF/ER混雜復(fù)合材料的磨損機(jī)理與UHMWPE纖維及CF的體積比密切相關(guān),當(dāng)CF含量較高時(shí)以磨粒磨損為主,而當(dāng)UHMWPE纖維含量較高時(shí),則以粘著磨損為主；采用混合載荷分布模式對(duì)UH<,3D>/ER復(fù)合材料的摩擦系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),摩擦系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值符合較

8、好,而該模式并不適用于三維編織UH/CF/ER混雜復(fù)合材料. 在相同試驗(yàn)條件下,CF<,3D>/ER復(fù)合材料疲勞性能優(yōu)于UH<,3D>/ER和KF<,3D>/ER復(fù)合材料.相同體積含量的UH<,3D>/ER和UH<,L>/ER復(fù)合材料的剩余彎曲強(qiáng)度比相差不大,而UH<,I>/ER復(fù)合材料的剩余彎曲模量比明顯高于UH<,3D>/ER復(fù)合材料；三維編織復(fù)合材料的疲勞損傷主要有以下幾種形式:(a)纖維束/基體界面裂紋擴(kuò)展；(b)纖維/

9、基體界面脫粘；(c)基體斷裂；(d)纖維斷裂等.其中纖維束/基體界面的裂紋擴(kuò)展是三維編織復(fù)合材料彎曲疲勞損傷的主要形式之一,這也是與單向纖維復(fù)合材料較為明顯的區(qū)別；吸濕使UH<,3D>/ER復(fù)合材料的疲勞性能下降:UH<,3D>/ER復(fù)合材料在0.4倍靜強(qiáng)度(σ<,o>)彎曲載荷下的疲勞壽命為5×106次,在0.50.彎曲載荷下的彎曲疲勞壽命為8×10<'4>次. 本文采用RTM工藝制備了UH<,3D>/ER及三維編織UH/CF