苎麻纤维增强复合材料力学性能及界面吸水失效机理研究

摘要

随着日益增强的环保意识以及和谐发展理念，天然纤维素纤维增强复合材料因具有可持续性、可再生性和低密度等特点，受到广泛关注并被应用到对力学性能要求不高的非结构件和次结构件领域中。然而，由于天然纤维拉伸强度低、纤维长度短，天然纤维增强复合材料，尤其是天然纤维短纤维增强复合材料的力学性能远低于玻璃纤维增强复合材料；此外，有大量的研究报道了天然纤维素纤维增强复合材料的水老化性能，观察到复合材料吸水后界面被破坏进而导致力学性能降低，但对界面吸水失效机理未做深入研究。这些都限制了该类复合材料在结构承载件中的拓展应用。随着新能源汽车大量推广，急需研发一种具有轻质、高强、低成本、环保、可适用于结构件的复合材料。 因此，为了进一步拓宽天然纤维增强复合材料的工业化应用、提升天然纤维增强复合材料力学性能、探讨天然纤维增强复合材料界面吸水失效机理，本课题选取苎麻纤维为研究对象，围绕苎麻织物增强复合材料的力学性能改善以及苎麻纤维增强复合材料界面吸水失效机理进行研究，深入探讨了苎麻织物NaOH水溶液预浸渍及循环往复加载处理对二维苎麻织物增强复合材料力学性能的影响，同时探究了六种不同混杂结构对三维正交苎麻/芳纶混杂织物增强复合材料力学性能的影响，最后建立并验证了天然纤维素纤维增强复合材料中因纤维吸水膨胀而引起的界面剪切破坏的微观力学模型。 首先，本文采用NaOH水溶液预浸渍和循环往复加载处理相结合的方法来处理苎麻织物，分析该处理方法对苎麻织物性能和复合材料力学性能的协同作用效果。利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、X射线衍射仪（XRD）和光学显微镜分别表征苎麻纤维化学成分、苎麻纤维结晶结构和苎麻织物表面形貌。制备二维苎麻织物增强复合材料，测试其拉伸和弯曲性能，并采用扫描电子显微镜（SEM）观察其拉伸断裂截面形态及纤维抽拔情况。研究结果表明，处理后苎麻纤维的结晶度和结晶取向都有所提高，苎麻织物表面半纤维素和/或木质素被去除，其拉伸强力增加11%；二维苎麻织物增强复合材料的界面得到有效改善，其拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量与未处理苎麻织物增强复合材料相比分别增加57%、49%、18%和91%。因此采用碱液预浸渍和循环往复加载处理相结合的方法能够有效提高二维苎麻织物增强复合材料力学性能。这是因为NaOH水溶液是良好的预浸液，可打开纤维表面及纤维内部的氢键，一方面可以去除纤维表面的半纤维素和/或木质素，提高苎麻纤维与基体的界面粘结；另一方面可以使纤维内部结构松散，同时采用循环往复加载方法能使纤维大分子链取向增加、苎麻织物拉伸性能提高。 其次，由于二维织物增强复合材料易发生层间破坏，而三维正交机织物因在厚度方向上存在捆绑纱而具有良好的结构整体性，这使得以三维正交机织物为增强体的复合材料具有较高的抗分层特性。此外，天然纤维/合成纤维混杂增强复合材料既可以部分保留纯天然纤维增强复合材料的环境友好性，又可以弥补其力学性能低的劣势。因此为进一步开发高性能纺织结构复合材料，本文采用三维正交机织物作为增强体结构、芳纶复丝和/或苎麻纱线为纬纱，织造八种四经五纬三维正交机织物，制备相应复合材料，测试复合材料拉伸、弯曲和冲击性能，采用SEM观察其破坏形态，分析芳纶复丝含量及分布对复合材料力学性能的影响。研究结果表明，随着芳纶纤维体积含量的增加，复合材料拉伸强度和拉伸模量增加，冲击强度先增加而后趋于稳定；芳纶复丝仅在表层的混杂分布有利于复合材料拉伸性能获得正混杂效应；复合材料的弯曲性能主要取决于最外层的芳纶复丝的含量；芳纶纤维体积含量高的复合材料的弯曲和冲击失效模式主要是基体变形及界面破坏。纬向表层为芳纶复丝、次外层为混杂纱线、中间层为苎麻纱线的织物所增强的复合材料具有最高的弯曲强度和弯曲模量，分别为225.8 MPa和9.1 GPa；其冲击强度为116.2 KJ/m2，可与纬向纯芳纶织物增强复合材料（112.4 KJ/m2）相比拟。 再次，由于天然纤维素纤维吸水膨胀大而疏水性基体材料吸水膨胀小，因此天然纤维素纤维增强复合材料的界面会因纤维和基体吸水膨胀差异而发生失效。为了探讨天然纤维素纤维增强复合材料的界面吸水失效机理，本文在分析因纤维吸水引起的复合材料基体变形、纤维变形以及剪切滞后效应的基础上建立了界面吸水失效微观力学模型。由于纤维径向吸水膨胀，基体受到纤维径向压力并发生膨胀；当基体内壁产生一定位移后，纤维和基体的受力变形情况达到平衡状态；在该状态下，应用拉美公式及泊松效应确定湿态微复合材料中纤维总轴向应变。分析纤维和基体在复合材料轴向变形差异引起的剪切滞后效应并确定因纤维吸水膨胀引起的理论界面剪切强度。当该界面剪切强度大于干燥复合材料界面剪切强度时，复合材料的界面被破坏。该模型能够较好地阐述天然纤维素纤维吸水膨胀引起的界面失效机理。 最后，在建立天然纤维素纤维增强复合材料界面吸水失效微观力学模型的基础上，本文选取苎麻/PP微复合材料为研究对象，利用微滴脱粘实验对前述微观力学模型进行验证。测试苎麻纤维在不同环境下（相对湿度 65%和 90%的环境以及水环境）吸水率、吸水变形和拉伸模量，采用微滴脱粘法测试苎麻/PP微复合材料吸水后的残留界面剪切强度，利用SEM观察脱粘实验前后微复合材料表面形态，在实验的基础上确定苎麻/PP微复合材料因吸水引起的理论界面剪切强度。通过对比实验结果和理论分析验证该模型，结果表明理论模型与实验结果具有较好地一致性，微复合材料因纤维吸水膨胀引起的理论界面剪切强度可较好地评价微复合材料吸水引起的界面剪切破坏。 本文主要对苎麻织物增强复合材料力学性能及界面吸水失效机理进行研究，为天然纤维增强复合材料力学性能提升、增强体结构设计及界面吸水失效提供了实验及理论研究基础，这对于天然纤维增强复合材料的研究开发具有重要指导意义。

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