苧麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的界面、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其力學(xué)性能研究.pdf

1、在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，玻璃纖維復(fù)合材料以強(qiáng)度適中、成本較低等優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用，但是其固有的生產(chǎn)能耗大、材料回收難等問題，給生態(tài)環(huán)境帶來沉重的負(fù)擔(dān)。在世界各國(guó)把工業(yè)與環(huán)境協(xié)同發(fā)展作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要指標(biāo)的今天，大力開發(fā)天然纖維增強(qiáng)生物降解復(fù)合材料，使復(fù)合材料朝著低碳環(huán)保方向發(fā)展是一個(gè)必然的趨勢(shì)。然而，目前的天然纖維復(fù)合材料由于普遍采用強(qiáng)度低的短纖維作為增強(qiáng)材料，加之短纖維在樹脂中的無取向排列，導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于玻璃纖維復(fù)合材料，從一定

2、程度上限制了其在結(jié)構(gòu)承載部件方面的應(yīng)用和發(fā)展，因此，研究和制備高強(qiáng)高模量的天然纖維增強(qiáng)生物降解復(fù)合材料，以擴(kuò)大此類復(fù)合材料的應(yīng)用范圍有著非常重要的意義。在本論文中，主要圍繞如何提高苧麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的力學(xué)性能而開展研究，具體內(nèi)容包括:復(fù)合材料界面性能的影響因素分析及其表征方法;循環(huán)往復(fù)拉伸織物預(yù)處理對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響及其機(jī)理的研究;三維多孔樹脂基復(fù)合材料的制備及其力學(xué)、吸音性能的研究;基于有限元法的三維復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型

3、建立及其仿真分析。具體內(nèi)容如下:
　　(1)復(fù)合材料界面性能的影響因素分析及表征方法。大量國(guó)內(nèi)外研究通過麻纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的表征來間接地研究纖維表面改性對(duì)復(fù)合材料界面性能的影響。而本文采用微滴抽拔的方法及其剪滯模型來計(jì)算界面剪切力，直接評(píng)價(jià)其界面粘結(jié)性能。采用堿液和硅烷偶聯(lián)劑對(duì)纖維表面進(jìn)行改性。關(guān)于界面粘結(jié)性能，堿液、硅烷偶聯(lián)劑以及兩者相結(jié)合處理過的試樣界面剪切力分別提高了約為35％、20％和40％。由此可見，堿液與硅烷偶聯(lián)劑

4、相結(jié)合的處理是最為有效地提高該復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的方法。關(guān)于纖維表面形態(tài)，堿液和硅烷偶聯(lián)劑處理過的纖維表面比未處理的顯得較為干凈。關(guān)于纖維表面浸潤(rùn)性，堿液處理使纖維動(dòng)態(tài)接觸角從46.7°降低到38.5°，而硅烷偶聯(lián)劑處理的提高到56.7°。關(guān)于纖維結(jié)晶度，經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑處理之后，纖維結(jié)晶度從67.1％降低到36.3％。
　　(2)循環(huán)往復(fù)拉伸織物預(yù)處理對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響及其機(jī)理的研究。根據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，循環(huán)往復(fù)拉伸處理可以

5、有效提高麻纖維和麻短纖紗的拉伸性能。但是在后續(xù)工序里會(huì)造成許多織造困難，同時(shí)處理效果也會(huì)隨著內(nèi)應(yīng)力消失而有所減弱。因此，本文直接對(duì)吸水率為100％的機(jī)織物在經(jīng)紗方向進(jìn)行循環(huán)往復(fù)拉伸，再利用熱壓工藝來制備成復(fù)合材料。關(guān)于織物表面形貌，處理過的織物經(jīng)紗密度增大了7-12％，而緯紗密度降低了7-9％。關(guān)于纖維微觀結(jié)構(gòu)，從X射線衍射分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，處理前后的纖維結(jié)晶度和結(jié)晶取向沒有明顯差異。關(guān)于織物拉伸性能，由于紗線在織物里屈曲程度減少以及纖維沿

6、著紗線軸向取向排列，使得織物拉伸性能得到顯著提高?；诳椢锢煨阅艿臏y(cè)試結(jié)果，最佳處理?xiàng)l件是拉伸載荷大小為織物平均斷裂強(qiáng)度的70％，循環(huán)次數(shù)為10次，而該條件下處理過的織物拉伸強(qiáng)度比未處理的增長(zhǎng)了約為38％。關(guān)于復(fù)合材料力學(xué)性能，由于織物本身力學(xué)性能的增強(qiáng)及其纖維體積含量的提高，處理過的織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能得到了相應(yīng)的提高。相比較未處理的試樣，處理過的織物增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別提高了約為35％和32％，而彎曲強(qiáng)度和彎曲模

7、量也分別得到了約為20％和17％的增長(zhǎng)幅度。
　　(3)三維多孔樹脂基復(fù)合材料的制備及其力學(xué)、吸音性能的研究。為了開發(fā)高性能紡織復(fù)合材料，本文采用包覆紗來織造三維正交機(jī)織物作為復(fù)合材料預(yù)制件，再利用熱壓工藝成功地制備了三維多孔樹脂基復(fù)合材料。其中，包覆紗的利用，使得樹脂在預(yù)制件成型的階段獲得均勻的分布，并且在一定范圍里方便調(diào)節(jié)纖維與樹脂的比重。而相比較二維層合復(fù)合材料，采用三維正交機(jī)織物作為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，既可獲得杰出的層間剪切強(qiáng)度和抗

8、沖擊損傷性能，又能維持相對(duì)較高的平面內(nèi)力學(xué)性能。此外，通過調(diào)整包覆紗樹脂長(zhǎng)絲的含量和三維機(jī)織物的經(jīng)紗密度來制備出不同纖維體積含量和孔隙率的復(fù)合材料。關(guān)于復(fù)合材料形貌結(jié)構(gòu)，紗線之間和表面樹脂層分別存在大量的孔隙或氣泡;Z紗沿著材料厚度方向產(chǎn)生傾斜與扭曲變形，但是材料整體性沒有被破壞;復(fù)合材料由于采用樹脂長(zhǎng)絲含量較高的包覆紗而得到了較好的浸潤(rùn)效果。關(guān)于復(fù)合材料力學(xué)性能，樹脂浸潤(rùn)效果最好的復(fù)合材料獲得了最為突出的力學(xué)性能，經(jīng)緯方向的拉伸強(qiáng)度分

9、別為43.3MPa和91.9MPa，而其楊氏模量分別為8.5GPa和18.5GPa;緯向的沖擊載荷最大值到達(dá)了134.3N，而沖擊能量為0.59J。關(guān)于復(fù)合材料吸音性能，所有復(fù)合材料試樣由于大量孔隙的存在及其扭曲形態(tài)而有效地吸收頻率為1000Hz到2500Hz的聲波，并且其吸波峰隨著后腔深度的增大趨向于更低的頻率。
　　(4)基于有限元法的三維復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型建立及其仿真分析。大部分工作是圍繞三維正交碳或玻璃纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合

10、材料而展開研究，但很少會(huì)涉及到三維天然纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。因此，在本文研究中，根據(jù)之前試驗(yàn)結(jié)果所獲得的形貌特征以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)模型，并利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)三維機(jī)織物增強(qiáng)多孔樹脂基復(fù)合材料的彈性常數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。首先，結(jié)合熱塑性樹脂浸潤(rùn)的實(shí)際情況，假設(shè)紗線截面為圓形，且橫觀各向同性，采用只有外層被聚合物樹脂所包裹住的短纖紗作為紗線浸漬體模型來計(jì)算其彈性常數(shù)。接著，考慮到Z紗沿著材料厚度方向的變形及其對(duì)復(fù)合材料