预应力高分子复合材料具有增强的机械性能

 

弹性预应力PMC（EPPMC）类似于在该纤维预应力混凝土被拉伸到基质固化过程中保持的弹性应变。在释放施加的载荷，压缩应力固化基体中产生的，由残留的纤维张力平衡。早EPPMC研究主要集中在层压板。1，2与单向玻璃纤维EPPMCs随后的研究已经表明增加的拉伸强度和〜25％和〜50％的弹性模量分别为当与非重读同行相比。3另外，耐冲击性，抗弯刚度，和强度被发现高达33％的增加。4,5这些改进已经解释了由预应力效应阻碍或偏转传播裂纹，降低复合材料的菌株来自外部的拉伸或弯曲载荷。3-5不幸的是，由于纤维的张力必须基质固化过程中施加，这限制纤维取向，长度，和空间分布，并最终影响模具的几何形状。此外，残余应力可能会导致（聚合物）基质经过本地化的蠕变纤维基体界面区域，因此预 ​​应力效应可能恶化与时间。

 

我们已经发现，粘弹预应力PMC（VPPMC）避免了这些缺点。这里，高强度聚合物纤维被拉伸随着时间的推移，使它们经受拉伸蠕变。蠕变载荷，然后释放以前的纤维被模压成一个矩阵。下列矩阵凝固，应变纤维（在残余张力）继续尝试粘弹性恢复，由此产生的基质内的压应力，类似于EPPMC。与EPPMC处理相反，但是，不存在几何约束，因为VPPMC纤维拉伸和成型操作脱钩。而且，预应力从聚合纤维内的粘弹性（时间依赖性）回收生成的。因此，通过本地化的基体蠕变恶化的任何潜在会从更长远纤维回收机制，积极回应所抵消。

 

我们最初的研究主要集中在确定VPPMC原则的可行性。我们选择的尼龙6,6作为基线材料，因为它是一个普通的，低成本的，高强度聚合物纤维。优化处理的程序（即，纤维退火和蠕变的条件）之后，我们在聚酯树脂嵌入预先拉伸的尼龙单丝的截面。6图  1显示了粘弹预应力试样设有下交叉偏振光的应力模式，与此相反无应力控制样品。接下来，我们通过简支梁冲击试验，这给能源断裂过程中吸收了材料用量材料韧性的测量研究了尼龙纤维VPPMCs的可行性进行评估。我们发现，VPPMC样品能吸收多达50％的冲击能量比其他相同的无应力控制的同行。在冲击条件下，压缩应力应阻碍裂纹扩展。另外，纤维基质的剪切应力（其创建矩阵压缩）鼓励剥离，越来越多的机会来吸收 ​​冲击能量。这种效果显示在图  2，它也已观察到由其他研究者用EPPMCs。4

 

图1。

尼龙6,6的单丝（直径1.6mm）在150×30×2毫米聚酯树脂在十字交叉偏振光样品。测试样品是我们的粘弹预应力聚合物基体复合材料（VPPMC）。注意，从测试样品中的粘弹性恢复应力的模式，在与（无应力）的对照样品对比。图像中的参考6首次出版。
 

图2。

典型的外观尼龙6,6纤维增强聚酯树脂样品（80×10×3:2毫米）简支梁冲击试验后的。两个样本显示铰断特性，但请注意纤维基质剥离的测试（VPPMC）样品较大的区域。

随后的研究已经显著提高了我们的VPPMC性能知识。相对于无应力（控制）同行，增加拉伸强度，模量和韧性都超过了15 ％ ， 30％， 40 ％ respectively.7抗弯刚度增加了50％ .8我们最近的工作表明，混纤尼龙/芳纶纤维复合材料的性能可以通过尼龙纤维预应力来提高，预应力高达33％，弯曲刚度提高40 ％， 0.9增加了吸收碰撞能量此外，我们现在已经表现出该VPPMCs可以由高强度聚乙烯（UHMWPE）纤维来生产，以初步结果显示有20-40 ％的挠曲stiffness.10预应力引起的增加

 

一个根本的问题是如何长的粘弹性预应力即止。我们用时间 - 温度叠加原理来证明粘弹活动最多（至少） 100年在20 ° C（见图3 ）。11然而，当使用威布尔型model12分析，它参考分子行为，在图3中的曲线表示活动延伸超过这个时间表。从年龄VPPMC样品的简支梁冲击试验的后续工作没有表现出恶化长达20年，在40℃ ambient.13我们最近的研究结果（待发表）已经扩展了这一至25年在50℃图3并不直接反映长期预应力行为，但是从粘弹存储的能量在光纤中产生的应力可以是实质性的增长超过10MPa14 （见图4） 。

 

 

图3。

以下24小时蠕变在342MPa的恢复应变DATA11在20℃下由尼龙6,6纱线，为达到适当的粘弹性特性，退火是必要的（ 150℃， 0.5小时）将所述蠕变载荷之前，但是这不会不利地影响纤维拉伸strength7 。对于退火的结果， 4年的实时验证点从加速老化数据的曲线fit12 ， 13表示超越千年延长粘弹活动。