纤维尺寸及分布对WPCs力学性能的影响

摘要

木塑复合材料，简称木塑（wood-plastic composites，缩写为WPCs），为生物质-聚合物复合材料的俗称，是一种由木质纤维材料与聚合物材料复合而制成的复合材料。它是新型的高性能、高附加值环保材料，在环境保护和节约能源等方面发挥了重要的作用。然而，抗蠕变性能差严重影响和制约了WPCs的拓展应用。论文以杨木纤维增强高密度聚乙烯(HDPE)复合材料为研究对象，重点分析了纤维尺寸和分布对WPCs的力学性质和抗蠕变性能的影响。
　　采用10～20目、20～40目、40～80目和80～120目四种木纤维及它们的混合纤维制备了七种木纤维增强HDPE复合材料，对其弯曲性能、冲击强度、流变性能、动态热机械性能、24h蠕变-24h回复性能和1000h蠕变性能等进行分析，并引入数学模型拟合WPCs的蠕变-回复过程，取得如下结果:
　　(1)纤维的尺寸过大或者过小都不利于WPCs的弯曲强度和模量的提高，增强效果以20～40目纤维为佳，而80～120目木纤维增强HDPE复合材料的弯曲强度和弹性模量均是最小值。四种目数木纤维混合增强HDPE复合材料的抗弯性能较好，长短不同，粗细不均的纤维搭配起来增强HDPE，既能填补纤维之间的间隙，又能扩大与基质的接触面积，有助于提高材料界面的结合强度，增强力学性能。
　　(2)引入成分对弯曲力学性能的贡献因子λ作为参数修正ROM模型，通过方差分析和配对样本T检验证明该模型预测木纤维增强HDPE复合材料的弯曲性能优于三个传统ROM模型，通过材料的断裂强度验证了该模型。
　　(3)24h蠕变-24h回复性能和1000h蠕变测试结果表明，单一目数木纤维增强HDPE复合材料中抗蠕变性能最差的是80～120目木纤维增强HDPE复合材料，该材料蠕变实验后弯曲性能值下降最大，不适合长期在负载的条件下工作。增加纤维长度有利于蠕变后弯曲性能的保留。在较小应力水平下，40～80目木纤维增强HDPE复合材料的抗蠕变性能最好;当载荷超过材料弯曲极限载荷的30％时，20～40目木纤维增强HDPE复合材料的抗蠕变性能最好且受载荷的影响较小。
　　(4)混合目数木纤维增强HDPE复合材料的抗蠕变性能优于单一目数木纤维增强HDPE复合材料，抗蠕变性能最好的是20～80目木纤维增强HDPE复合材料，最差的是80～120目和10～20目混合木纤维增强HDPE复合材料。材料在不同载荷水平蠕变后，回复率的变化不大(回复率范围81.81％～85.58％)。
　　(5)分别利用Findley指数模型、两参数指数模型和四元件Burgers模型来拟合WPCs的24h蠕变曲线，经过模型检验和参数检验，四元件Burgers模型拟合效果最好，可以应用于热压成型的WPCs的蠕变性能的预测中。建立四元模型来模拟WPCs的回复过程，该回复模型模拟效果较好，可以应用于热压成型WPCs的蠕变-回复性能的预测中。
　　(6)上层40～80目、下层20～40目木纤维增强HDPE复合材料的弯曲性能值最大，其次是四种目数纤维混合均匀分布增强HDPE复合材料，而上层80～120目、下层10～20目木纤维增强HDPE复合材料的弯曲性能最差。长度相差大的纤维无论是分层分布还是均匀分布，用其增强HDPE复合材料的弯曲性能值都小于长度相近的木纤维增强HDPE复合材料，后者弹性应变最小，蠕变速度较慢，24h应变最小，蠕变后剩余弯曲性能值均最大。
　　(7)上层40～80目、下层20～40目木纤维增强HDPE复合材料最适合长期在载荷作用下工作。而含有短纤维（80～120目）的WPCs不适合长期在载荷作用下工作，短纤维含量越多，其抗蠕变性能越差。不同目数纤维均匀混合分布的WPCs抗蠕变性能均优于纤维分层分布的WPCs，且24h回复率也大于纤维分层分布的WPCs;不同目数纤维均匀混合分布的WPCs弹性应变和24h应变受加载力增加的影响较纤维分层分布的WPCs更敏感。
　　(8)分别利用Findley指数模型、两参数指数模型和四元件Burgers模型来拟合叠层材料的24h蠕变曲线，并求出参数，经过模型检验和参数检验，四元件Burgers模型拟合效果最好，可以应用于叠层WPCs的蠕变性能的预测中。建立四元模型来模拟叠层WPCs的回复过程，该回复模型模拟效果较好，可以应用于叠层WPCs的蠕变回复性能的预测中。
　　(9)对WPCs的安全系数进行考察，20～80目木纤维混合增强HDPE复合材料在弯曲性能和抗蠕变性能方面表现出最安全的使用性。

目录

摘要

1 文献综述

1．1 引言

1．2 WPCs的力学研究现状

1．2．1 WPCs弯曲性能的研究

1．2．2 WPCs拉伸性能的研究

1．2．3 WPCs冲击性能的研究

1．3 WPCs的力学模型研究进展

1．3．1 混合法则

1．3．2 Halpin-Tsai模型

1．3．3 Cox模型

1．3．4 Kelly-Tyson模型

1．4 WPCs的蠕变现象、机理和研究进展

1．4．1 蠕变性能研究意义

1．4．2 蠕变产生机理

1．4．3 WPCs蠕变实验研究进展

1．5 蠕变的影响因素及蠕变模型

1．5．1 蠕变的影响因素

1．5．2 蠕变模型

1．5．3 模型应用

1．6 纤维尺寸和分布对WPCs力学性能和蠕变性能的影响研究

1．7 本文的主要研究内容

2 纤维尺寸对热压成型WPCs力学性能的影响

2．1 实验部分

2．1．1 主要原料及试剂

2．1．2 主要仪器及设备

2．1．3 WPCs的热压成型制备

2．1．4 性能测试

2．2 结果与讨论

2．2．1 纤维尺寸对WPCs弯曲性能的影响

2．2．2 单一目数木纤维增强HDPE复合材料的抗弯性能

2．2．3 弯曲力学模型的建立及分析

2．2．4 纤维尺寸对WPCs的抗冲击性能的影响

2．2．5 纤维尺寸对WPCs的流变行为的影响

2．2．6 纤维尺寸对WPCs的动态热机械性能的影响

2．3 本章小结

3 纤维尺寸对热压成型WPCs蠕变性能的影响

3．1 实验部分

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验仪器

3．1．3 实验方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 应力水平的确定

3．2．2 纤维尺寸对WPCs 24h蠕变-24h回复性能的影响

3．2．3 短期蠕变-回复模型的建立与分析

3．2．4 纤维尺寸对WPCs 1000h蠕变性能的影响

3．2．5 纤维尺寸对WPCs剩余力学性能值的影响

3．3 本章小结

4 纤维分布对热压成型WPCs力学性能的影响

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 主要原料及试剂

4．2．2 主要仪器及设备

4．2．3 叠层WPCs制备方法

4．2．4 抗弯性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 纤维分布对WPCs的抗弯性能的影响

4．3．2 纤维分布对WPCs极限载荷和形变的影响

4．4 本章小结

5 纤维分布对热压成型WPCs蠕变性能的影响

5．1 实验部分

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验仪器

5．1．3 实验方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 叠层WPCs的蠕变-回复性能

5．2．2 纤维分布对WPCs蠕变-回复性能的影响

5．2．3 纤维分布对WPCs剩余力学性能值的影响

5．2．4 蠕变模型的建立及分析

5．3 本章小结

6 纤维尺寸对挤出成型的WPCs性能的影响

6．1 实验部分

6．1．1 主要原料及试剂

6．1．2 主要仪器及设备

6．1．3 WPCs的挤出成型制备

6．1．4 性能测试

6．2 结果与讨论

6．2．1 纤维尺寸对挤出成型WPCs弯曲性能的影响

6．2．2 纤维尺寸对挤出成型WPCs抗冲击性能的影响

6．2．3 纤维尺寸对挤出成型WPCs流变性能的影响

6．2．4 纤维尺寸对挤出成型WPCs动态机械能的影响

6．2．5 纤维尺寸对挤出成型WPCs 24h蠕变-24h回复的影响

6．2．6 纤维尺寸对挤出成型WPCs 1000h蠕变性能的影响

6．2．7 挤出成型WPCs的安全系数

6．3 本章小结

7 纤维分布对挤出成型WPCs性能的影响

7．1 实验部分

7．1．1 主要原料及试剂

7．1．2 主要仪器及设备

7．1．3 不同纤维分布WPCs的制备

7．1．4 性能测试

7．2 结果与讨论

7．2．1 纤维分布对挤出成型WPCs弯曲性能的影响

7．2．2 应力水平的确定

7．2．3 纤维分布对WPCs粘板24h蠕变性能的影响

7．3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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