散纤维集合体的微观结构特征及压缩力学行为表征

摘要

纤维通过摩擦及纠缠作用所形成的形态稳定的结构体为散纤维集合体，简称散纤维体，该材料属于典型的软物质。压缩性能是散纤维体重要的物理机械性能之一，主要取决于结构，即纤维的堆砌密度、排列分布和相互作用。压缩使得散纤维体的结构发生变化，主要包括整体密度的变化及沿着压缩方向上密度的梯度变化、纤维的重新取向和排列以及纤维间滑移的减少和相互作用的增多；当压缩载荷卸载后，散纤维体又会发生非线性的滞后回复。在此过程中的主导相是微观结构的变化与差异。散纤维体的微观结构特征分析及其与压缩力学行为的关系，是目前实际测量与理论推演中的难点，虽然已经建立了以Van Wyk为首的经典理论，但理想化的简化假设使得理论结果与实测结果存在较大的偏差。 本文研究了散纤维体的内部微观结构及其压缩力学行为，并建立起微观结构与宏观力学性能的联系。利用先进的无损检测技术——显微层析技术（Micro-CT），对散纤维体进行断层扫描，基于三维重建算法和体绘制技术，对其内部真实微观结构进行再现，得到了以往相关研究中难以获得的微结构信息，并基于C++程序设计语言自主开发了用于图像处理和分形维数计算的软件Image Analyzer1.0，得到散纤维体的分形维数在1~2之间及其与纤维面含量之间的高度相关性。 从结构三要素出发，利用显微CT重构散纤维体的微观结构，并进行定量化分析与表征，获得其内部微观结构参数，包括纤维面积分数、孔隙结构、纤维排列分布和纤维接触点数等。内部纤维排列相对均匀的散纤维体，纤维面积分数沿断层高度方向略有波动，但保持在较小范围内；压缩后，面积分数增大，并沿断层高度方向的波动增大；内部纤维排列不均匀的散纤维体，纤维面积分数沿断层高度方向上波动较大，压缩后，面积分数增大，沿断层高度方向上波动更大，不均匀程度增加，即堆砌不匀信号放大。散纤维体的二维断层内，绝大部分孔隙是以开孔的形式存在，仅存在少量的闭孔，压缩后闭孔数增多，主要是因为压缩后，集合体更为紧密，纤维与纤维之间的接触增多，形成闭孔的机率增大。建立纤维自动分割和追踪模型，计算局部归一化相关系数以及与之对应的取向参数，利用局部张量信息和相似函数，追踪单纤维的轨迹，提取中心线，实现纤维长度和取向分布信息的提取。 提出了新的纤维接触几何模型——Box模型，并基于概率统计理论求解散纤维体内的接触点数。Box模型相比Komori的接触理论增加了接触的边界条件，即点-点接触和点-边接触。将Box模型分别应用于二维和三维随机任意排列的散纤维体中，计算与纤维接触有关的四个特征参数，分别为任意一根纤维上的平均接触点数、纤维单位长度上的接触点数、两个相邻的接触点之间的纤维平均轨迹（纤维段）长度以及总的接触点数。对于随机任意排列的散纤维体而言，单根纤维上的平均接触点数与纤维的长径比和集合体内纤维体积含量有关，长径比反映的是纤维本身的形态结构，纤维体积含量反映的是集合体内部纤维排列的紧密程度，故接触点数与单纤维形态特性以及集合体结构特性有关。随后对计算结果进行了修正和优化，主要是考虑潘宁教授所提出的纤维接触的空间位阻理论，修正了接触的概率。 利用东华大学TMT团队设计的变密度纤维集合体力学行为和传导性的原位综合测量仪对散纤维体进行单轴压缩和回复实验，提取特征曲线，并计算特征值，表征散纤维体的压缩力学行为。压缩过程可分为三个区域：近线性区、转变区与模量线性增加区。纤维在压缩过程中发生了移动和重排，压力通过纤维间的接触点从施力端不断向下传递，传递依赖于时间，故主力和受力曲线几乎重合，但主力总是略大于受力；力-压缩位移、应力-应变和模量曲线可作为单纤维密度差异较大的集合体的识别曲线，曲线特征与纤维体积含量密切相关；力-体积分数曲线中的特征值——初始纤维体积分数可以很好的区分单纤维密度差异大的集合体，对于单纤维密度差异不大的集合体，力-体积分数曲线仍可作为识别曲线，体现在体积分数差值随力值增大而增大，曲线分化越来越明显。压缩和回复曲线均呈单调下凹形且不重合，每个循环均存在滞后性，能量损失明显，是因为纤维存在粘弹性。压缩-回复循环过程中，压缩功和能量损耗不断衰减，回复功基本保持不变，功回复率不断增大，最终均达到一个稳定的状态；引入染色纤维有利于压缩过程中集合体表面纤维运动和形态变化的观察。对低密度散纤维体的压缩过程进行观察，发现压缩位移主要来源于接触点间纤维段的整体下移，接触点较为牢固，集合体趋于一个稳定的弹性系统，但未观察到明显的密度梯度分布现象，而高密度散纤维体的压缩过程中可观察到密度梯度分布现象。 研究散纤维体的力学性能与结构特征的关系，分别从做功和能量的角度对压力与纤维体积含量的关系进行理论和实验探究。发现压缩功是关于纤维体积分数的方程，压力与纤维体积分数的三次方成正比，并进一步讨论了纤维截面为正圆形和非圆形时，压力与纤维体积分数的关系。压力-体积分数3次方实测曲线在压缩的初始阶段并不满足线性相关，当压缩进行到一定阶段后，实测曲线逐渐呈线性相关，这与集合体的初始堆砌状态相关，散纤维体的初始堆砌状态不可能达到完全随机任意排列，故理论推导结果与实测结果存在差异。

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