多軸向經編聚酯織物增強膜材力學性能研究.pdf

1、膜材料是一種新穎的柔性復合材料。由于它具有低模量、柔軟、高彈性、高拉伸強度、質量輕、設計靈活、造型獨特等特點，因此被廣泛的應用于各種受力結構中，尤其在建筑、運輸、防災減災、戶外廣告、文體設施等領域越來越受到人們重視。
　　膜結構材料種類繁多，常見的膜結構材料是以聚酯和玻璃纖維平紋織物作為增強材料，這種織物只有兩向增強，這嚴重限制了膜材料的應用領域。而多軸向經編織物，具有多軸增強的特點，趨于各向同性，有利于形成復雜造型，與平紋織物等

2、傳統(tǒng)增強體相比優(yōu)勢明顯。在膜材料加工工藝方面，常見的涂覆膜加工工藝復雜，成本高，而流延法相比之下具有工藝簡單、加工效率高、產品質量穩(wěn)定等特點，應用前景廣泛。另外，在膜材正常使用過程中經常受到各個方向的載荷作用，因此制備多軸向經編聚酯織物為增強體的流延涂層聚氨酯或聚乙烯膜結構材料，并研究其各向增強的力學特點具有重要的科學和經濟意義。
　　基于以上原因，本文制備了以多軸向經編聚酯織物為增強體的流延涂層聚氨酯及聚乙烯膜結構材料，詳細介紹

3、了上述膜材料的制備方法，并對兩種膜材料在小應變、大應變、往復拉伸及大載荷蠕變等條件下的各向異性力學行為進行了試驗研究和理論分析。同時，本文還利用微觀代表性體積法和非線性粘彈塑本構關系對膜材料的各向異性力學行為進行了理論模擬，模擬效果良好。本文具體的研究內容概述如下：
　?。?）對聚酯纖維多軸向經編織物膜結構材料的制備工藝進行了介紹。詳細闡述了在利巴Copentra Multi-Axial型多軸向經編機上，使用滌綸高強工業(yè)絲和滌綸縫

4、合紗開發(fā)四軸向經編針織物的過程。具體內容包括織造設備、原料選擇、織造工藝、上機調試工藝、織物參數(shù)?？椩旃に囍邪ㄕ浌に嚒亴庸に嚭途幙椆に?。然后對編織成品進行了拉伸性能測試，測試結果顯示該織物具有良好的力學性能，適合于作為柔性復合材料的增強體。最后還對流延工藝的設備結構、工藝流程和工藝參數(shù)等進行了介紹。
　　（2）研究了將多軸向經編滌綸織物作為增強體，聚氨酯和聚乙烯作為基體的膜結構材料彈性行為特征。從微觀角度，利用代表性單元體積

5、法，建立了一個微觀代表性體積單元（RVE），通過測量幾何結構參數(shù)，得到每束增強紗及縫合紗的體積分數(shù)。再利用橋接矩陣，建立基體與纖維增強體之間的聯(lián)系。通過假設RVE中的各種微觀組件是各向同性材料，得到其柔度矩陣。隨后利用 MATLAB科學計算軟件計算出宏觀材料的理論柔度矩陣，從而得到該材料的理論工程常數(shù)，即理論彈性模量。預測了膜材在彈性階段0°、22.5°、45°、67.5°和90°方向的彈性模量，并將預測結果與實驗結果進行對比，發(fā)現(xiàn)二者

6、具有較好的一致性。
　?。?）研究了小應變情況下，多軸向聚氨酯膜結構材料的各向異性力學行為。首先選取了聚氨酯膜結構材料0°、22.5°、45°、67.5°和90°五個方向試樣，對其進行了單軸拉伸測試，分析其彈性階段的變形特征。然后利用雙折線法計算出22.5°、45°、67.5°和90°的彈性模量，通過直接擬合得到0°初始模量。利用XTDIC三維數(shù)字散斑全場應變測量系統(tǒng)（DIC），獲得試樣不同區(qū)域的泊松比。最后通過彈性材料正交各向異

7、性模型發(fā)現(xiàn)，小應變下多軸向聚氨酯膜結構材料的力學行為符合正交各向異性本構關系。
　?。?）研究多軸向聚乙烯膜結構材料三個彈性階段的各向異性力學行為。制備了0°、22.5°、45°、67.5°和90°五個方向的多軸向聚乙烯膜結構材料試樣，通過單軸拉伸實驗，根據(jù)三段法得到不同階段的拉伸模量，并利用DIC系統(tǒng)獲得三階段對應的泊松比。接著，利用改進的彈性材料正交各向異性本構關系預測了22.5°及67.5°試樣的分段模量及泊松比，并與實驗測

8、得的數(shù)據(jù)進行了對比分析。另外，通過往復拉伸實驗，分析了循環(huán)加載對試樣荷載-伸長率曲線以及對膜材失效應力和彈性模量的影響。結果表明：三個階段的彈性行為都不符合正交各向異性行為特征，進而根據(jù)實驗結果提出各向整體彈性模量的經驗方程。除0°方向試樣外，其余角度試樣往復拉伸后失效應力及模量均獲得提升，每個角度試樣的拉伸曲線的非線性都沒有明顯優(yōu)化。
　?。?）研究了溫度20℃多軸向聚乙烯膜結構材料在恒定應力條件下的蠕變變形行為。通過單軸定速拉

9、伸實驗得到該材料在不同角度下的失效應力和表觀模量，即彈性變形特點。在纖維方向以3種應力水平，非纖維方向2種應力水平，進行7小時的蠕變實驗和7小時的蠕變回復實驗，研究該材料的粘彈性形變特征。然后根據(jù)不同時間蠕變、回復實驗以及不同應力水平下的蠕變實驗，得到粘彈性和粘塑性應變與時間和應力的關系，提出相關本構方程，預測不同角度試樣在不同應力水平下的蠕變行為。結果顯示，該本構方程曲線與實驗數(shù)據(jù)相吻合，因此該方程可以用來研究和預測多軸向膜材的蠕變行

10、為。
　　綜上所述，雖然聚酯纖維模量低，柔軟，易變形，但是通過改進工藝方法，可以織造出滿足要求的多軸向經編織物。由于基體和增強體的模量接近，基體對多軸向膜結構材料的力學性能有重要影響。多軸向膜結構材料的彈性拉伸行為具有明顯的非線性特征，有兩個轉折點，即纖維束平行排列增強點和捆綁紗斷裂屈服點；分成三個階段，第一段主要是基體的剪切變形，第二段主要是增強紗、捆綁紗和基體三者共同承載，第三段捆綁紗失效，只剩增強紗和基體兩者一起承載。其中，

11、第二階段的彈性模量可以用微觀代表性體積單元模型來計算。多軸向聚氨酯膜結構材料的初始階段可以認為是正交各向異性的。但是，由于模量和泊松比的計算方法不同，多軸向聚乙烯膜結構材料的三個階段都不符合正交各向異性特征。多軸向膜結構材料經過循環(huán)加載，可以提高失效強度，但是對拉伸曲線的非線性沒有改善。斜交紗線雖然沒有貫通試樣，但是對材料變形特征和失效方式都有復雜的影響。多軸向膜結構材料的彈性變形是其最主要的變形形式，但是隨著時間的作用也伴隨有粘彈性和