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《东华大学》 2014年
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苎麻纤维增强聚乳酸复合材料的界面、结构改进及其力学性能研究

周楠婷  
【摘要】:在我国国民经济中,玻璃纤维复合材料以强度适中、成本较低等优势得到广泛应用,但是其固有的生产能耗大、材料回收难等问题,给生态环境带来沉重的负担。在世界各国把工业与环境协同发展作为经济发展重要指标的今天,大力开发天然纤维增强生物降解复合材料,使复合材料朝着低碳环保方向发展是一个必然的趋势。然而,目前的天然纤维复合材料由于普遍采用强度低的短纤维作为增强材料,加之短纤维在树脂中的无取向排列,导致复合材料的力学性能远远低于玻璃纤维复合材料,从一定程度上限制了其在结构承载部件方面的应用和发展,因此,研究和制备高强高模量的天然纤维增强生物降解复合材料,以扩大此类复合材料的应用范围有着非常重要的意义。在本论文中,主要围绕如何提高苎麻纤维增强聚乳酸复合材料的力学性能而开展研究,具体内容包括:复合材料界面性能的影响因素分析及其表征方法;循环往复拉伸织物预处理对复合材料力学性能的影响及其机理的研究;三维多孔树脂基复合材料的制备及其力学、吸音性能的研究;基于有限元法的三维复合材料细观结构模型建立及其仿真分析。具体内容如下: (1)复合材料界面性能的影响因素分析及表征方法。大量国内外研究通过麻纤维复合材料力学性能的表征来间接地研究纤维表面改性对复合材料界面性能的影响。而本文采用微滴抽拔的方法及其剪滞模型来计算界面剪切力,直接评价其界面粘结性能。采用碱液和硅烷偶联剂对纤维表面进行改性。关于界面粘结性能,碱液、硅烷偶联剂以及两者相结合处理过的试样界面剪切力分别提高了约为35%、20%和40%。由此可见,碱液与硅烷偶联剂相结合的处理是最为有效地提高该复合材料界面粘结性能的方法。关于纤维表面形态,碱液和硅烷偶联剂处理过的纤维表面比未处理的显得较为干净。关于纤维表面浸润性,碱液处理使纤维动态接触角从46.7°降低到38.5°,而硅烷偶联剂处理的提高到56.7°。关于纤维结晶度,经过硅烷偶联剂处理之后,纤维结晶度从67.1%降低到36.3%。 (2)循环往复拉伸织物预处理对复合材料力学性能的影响及其机理的研究。根据相关研究报道,循环往复拉伸处理可以有效提高麻纤维和麻短纤纱的拉伸性能。但是在后续工序里会造成许多织造困难,同时处理效果也会随着内应力消失而有所减弱。因此,本文直接对吸水率为100%的机织物在经纱方向进行循环往复拉伸,再利用热压工艺来制备成复合材料。关于织物表面形貌,处理过的织物经纱密度增大了7-12%,而纬纱密度降低了7-9%。关于纤维微观结构,从X射线衍射分析结果发现,处理前后的纤维结晶度和结晶取向没有明显差异。关于织物拉伸性能,由于纱线在织物里屈曲程度减少以及纤维沿着纱线轴向取向排列,使得织物拉伸性能得到显著提高。基于织物拉伸性能的测试结果,最佳处理条件是拉伸载荷大小为织物平均断裂强度的70%,循环次数为10次,而该条件下处理过的织物拉伸强度比未处理的增长了约为38%。关于复合材料力学性能,由于织物本身力学性能的增强及其纤维体积含量的提高,处理过的织物增强复合材料力学性能得到了相应的提高。相比较未处理的试样,处理过的织物增强复合材料拉伸强度和杨氏模量分别提高了约为35%和32%,而弯曲强度和弯曲模量也分别得到了约为20%和17%的增长幅度。 (3)三维多孔树脂基复合材料的制备及其力学、吸音性能的研究。为了开发高性能纺织复合材料,本文采用包覆纱来织造三维正交机织物作为复合材料预制件,再利用热压工艺成功地制备了三维多孔树脂基复合材料。其中,包覆纱的利用,使得树脂在预制件成型的阶段获得均匀的分布,并且在一定范围里方便调节纤维与树脂的比重。而相比较二维层合复合材料,采用三维正交机织物作为增强结构,既可获得杰出的层间剪切强度和抗冲击损伤性能,又能维持相对较高的平面内力学性能。此外,通过调整包覆纱树脂长丝的含量和三维机织物的经纱密度来制备出不同纤维体积含量和孔隙率的复合材料。关于复合材料形貌结构,纱线之间和表面树脂层分别存在大量的孔隙或气泡;Z纱沿着材料厚度方向产生倾斜与扭曲变形,但是材料整体性没有被破坏;复合材料由于采用树脂长丝含量较高的包覆纱而得到了较好的浸润效果。关于复合材料力学性能,树脂浸润效果最好的复合材料获得了最为突出的力学性能,经纬方向的拉伸强度分别为433MPa和91.9MPa,而其杨氏模量分别为8.5GPa和18.5GPa;纬向的冲击载荷最大值到达了134.3N,而冲击能量为0.59J。关于复合材料吸音性能,所有复合材料试样由于大量孔隙的存在及其扭曲形态而有效地吸收频率为1000Hz到2500Hz的声波,并且其吸波峰随着后腔深度的增大趋向于更低的频率。 (4)基于有限元法的三维复合材料细观结构模型建立及其仿真分析。大部分工作是围绕三维正交碳或玻璃纤维增强热固性复合材料而展开研究,但很少会涉及到三维天然纤维增强热塑性复合材料。因此,在本文研究中,根据之前试验结果所获得的形貌特征以及结构参数,建立复合材料细观力学模型,并利用ANSYS有限元分析软件,对三维机织物增强多孔树脂基复合材料的弹性常数进行预测。首先,结合热塑性树脂浸润的实际情况,假设纱线截面为圆形,且横观各向同性,采用只有外层被聚合物树脂所包裹住的短纤纱作为纱线浸渍体模型来计算其弹性常数。接着,考虑到Z纱沿着材料厚度方向的变形及其对复合材料轴向力学性能产生较小的影响,通过省去Z纱部分从而简化了三维多孔复合材料的单元模型。最后,采用有限元仿真分析方法获得了复合材料弹性模量。结果表明,经纱方向的弹性模量预测值要比其实验值高出14%,而纬纱方向的弹性模量预测值要比其实验值低3%。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TQ171.771

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