植物纤维缠绕复合材料成型机理及其优化研究

【摘要】：由树脂基体与玻璃、芳纶和碳等传统增强纤维结合而成的复合材料已经在航空航天、休闲、汽车、建筑和体育领域获得广泛的应用,然而其不可降解且不易回收利用而引起环污染和资源浪费问题愈发突出。应用植物纤维代替传统增强纤维用于复合材料成型可在保证产品性能要求的基础上有效缓解环境破坏和资源危机。然而,相比于传统复合材料用增强纤维,植物纤维具有独特的空腔结构、纤维束的加捻结构以及由加捻结构造成的非均匀缠绕结构,影响着植物纤维增强复合材料成型质量及力学性能。为实现新材料-植物纤维缠绕增强复合材料结构和工艺设计、性能分析及预测、成型质量控制,需研究考虑植物纤维结构的植物纤维束力学及物理性质、复合材料成型工艺过程及成型后复合材料力学性能等问题。本文开展了以下几个方面的研究:考虑结构的植物纤维束模量及热物理性质预测,植物纤维缠绕复合材料固化化过程中模量及热物理性质预测,植物纤维缠绕复合材料固化过程多物理场及残余应力应变分析,植物纤维缠绕复合材料成型工艺特异性分析及优化。主要工作和研究成果如下:植物纤维在缠绕复合材料应用中,首先需要将植物短纤维进行纤维束的加捻以实现连续化。基于细观力学、加捻纤维束滑移及强力理论、均习化理论及热传导数学模型并应用COMSOL平台建立了考虑植物纤维束结构特性的纤维束模型。通过仿真分析发现,空腔结构的存在降低了植物纤维的模量及热传导性能,捻度结构使植物纤维束力学强度及模量在一定捻度范围内存在极值,对不同方向上的导热性能也有显著影响。为了提高固化成型过程模拟的精度并获取各物性参数的动态变化规律,基于空腔及捻度结构对连续植物纤维束在力学及热物理性质的影响规律,应用复合材料细观力学及等效均匀化等理论建立植物纤维缠绕复合材料导热及模量等效模型,获取了植物纤维复合材料导热系数在一定温度范围内随温度变化的线性递增规律及复合材料等效模量随树脂基体固化度变化的抛物线递增规律,进而获取不同纤维捻度及纤维体积含量的复合材料等效参数的回归方程,为植物纤维缠绕复合材料固化过程模拟提供动态输入。为揭示植物纤维复合材料成型工艺过程中温度场、固化度场及应力应变场变化规律,基于植物纤维复合材料模量及热物理性质的规律研究,建立了考虑植物纤维束结构的复合材料固化过程精确预测模型,分析仿真结果获得相对准确的复合材料固化过程中的温度场、固化度场及应力应变演变规律。结果表明:考虑了植物纤维结构的复合材料各热及力学性质作为固化过程模拟的动态输入可以有效提高模拟的预测精度,且固化温度工艺和复合材料厚度结构对成型过程中各物理场及应力应变影响相对显著,纤维束捻度、纤维含水率及纤维体积分数对复合材料成型过程的多场变化具有相对较小的影响。基于植物纤维缠绕复合材料成型和检测实验及复合材料性能测试,分析了植物纤维缠绕复合材料成型的结构、材料及工艺特异性对复合材料力学性能的影响规律。建立了植物纤维缠绕复合材料成型工艺响应面及基于满意度函数的多目标优化模型,获取参数设计范围内的最优成型工艺参数,针对优化结果进行了可靠性分析并对优化设计进行了灵敏度分析。结果表明:响应面和满意度函数法可以有效进行多目标工艺优化设计;固化温度对植物纤维复合材料力学性能影响显著,且不同工艺参数成型的复合材料内部的孔隙含量是影响复合材料力学强度的主要原因,优化的工艺结果可以在设计范围内有效提高植物纤维缠绕复合材料成型质量及成型后的力学性能。基于结构建模、模拟仿真、测试试验及工艺优化的研究,发现植物纤维及纤维束的结构和材料特性对纤维束、复合材料固化成型过程及成型后复合材料力学性能都产生了重要影响。因此,在进行绿色可回收的新材料-植物纤维增强复合材料的结构、材料、工艺及力学的研究时,都无法忽视植物纤维及纤维束的结构对材料、工艺过程及力学强度的影响,应当充分利用植物纤维束结构及植物纤维复合材料的功能性特点开发功能性复合材料,并降低结构对复合材料结构性能的影响。