牟晨曉,丁曉非,林艾光,謝忠東,梁艷,姜玲

(1.大連海洋大學機械工程學院,遼寧大連116023;2.大連理工大學工程力學系,遼寧大連116024)

仿貝殼結(jié)構(gòu)制備纖維增強的復合材料

牟晨曉1,丁曉非1,林艾光1,謝忠東1,梁艷2,姜玲1

(1.大連海洋大學機械工程學院,遼寧大連116023;2.大連理工大學工程力學系,遼寧大連116024)

模仿貝殼的層狀結(jié)構(gòu),以環(huán)氧樹脂作為基體,在樹脂中添加了竹纖維和麻纖維,并對其力學性能進行了測試。結(jié)果表明:與環(huán)氧樹脂材料相比,添加了竹纖維和麻纖維的環(huán)氧樹脂復合材料的力學性能有所改善;竹纖維和麻纖維的增韌機制主要有裂紋滯止、微裂紋、界面剝離、纖維拔出、塑性橋連等,與具有弱界面的脆/塑復合材料增韌機制相似。

貝殼結(jié)構(gòu);竹纖維;麻纖維;復合材料

軟體動物貝殼是一種優(yōu)良的有機-無機界面復合材料[1-2],其微結(jié)構(gòu)是其具有優(yōu)良力學性能的重要原因之一[3-6],其形成過程本身就是納米材料的自組裝聚合的過程。目前對于貝殼珍珠層的研究較多,基于它的仿生模擬研究也較為廣泛,而基于其交叉疊片結(jié)構(gòu)仿生模擬的研究很少。麻和竹等天然纖維因其張強度比其他天然纖維高,可以稱其為高性能天然纖維。按復合材料的廣義定義,也屬于復合材料范圍。竹材具有眾多復合材料的特性和組成特點,同時具有各向異性,比強度和比模量較高,適合作為復合材料的增強劑。關(guān)于竹和麻纖維復合材料及其制品的應(yīng)用開發(fā)國外研究的較深入,已廣泛應(yīng)用于工程上,國內(nèi)才剛剛起步。高性能天然纖維復合材料的制品可以廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、船舶、家居裝飾和工業(yè)品包裝等行業(yè)。開展天然纖維復合材料及其制品的研究,對充分利用中國豐富的天然纖維資源和已有的復合材料技術(shù)優(yōu)勢,改造傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)、林業(yè)和工業(yè)產(chǎn)業(yè),加強環(huán)境保護,以提高新材料技術(shù)對國民經(jīng)濟增長的貢獻率等具有重大的現(xiàn)實意義。本試驗中,作者模仿貝殼的層狀結(jié)構(gòu),以環(huán)氧樹脂作為基體,在樹脂中添加了竹纖維和麻纖維,并對其力學性能進行了測試。

1 材料與方法

1.1 材料

以嵩竹為原料,截取竹節(jié)間的竹段,經(jīng)過清洗后沿徑向縱向破開,再沿弦向切成3～5 mm的薄片,經(jīng)過機械方法將竹片打散,使纖維展開,再分切成長度為4～6 cm的短片。將處理過的竹片放在高壓鍋中蒸大約1 h后取出。蒸壓處理不僅可以清潔和消菌、改善浸潤性,還可以令部分竹纖維軟化,使固化中的部分殘余應(yīng)力得到釋放和緩解。將蒸壓處理過的竹纖維放在50 g/L的NaOH溶液中浸泡24 h后取出。經(jīng)過堿處理過的竹纖維表面的蠟質(zhì)、油質(zhì)被清除掉,同時水化作用使纖維素和木質(zhì)素分解,松散的囊狀組織被蝕去,纖維成分相對增加,纖維表面對樹脂基體的浸潤性也得到改善。在體積分數(shù)為30%的過氧化氫(H2O2)溶液中浸泡20 h,可使竹片清理干凈,消除腐蝕細菌,還能改善纖維表面的浸潤性,增進界面結(jié)合,使其性能得以改善。放在干燥箱(50℃)中干燥5 h,使其含水率控制在10%以下,然后對其進行梳理,整理成竹纖維絲備用。

1.2 樹脂基竹纖維和麻纖維復合材料的制備

將處理過的竹纖維稱重0.3647 g,并將其按正交鋪層鋪成3層,在層間涂上還氧樹脂(w(樹脂)∶w(固化劑)∶w(貝殼粉末)=162∶27∶4)。為了減少膠液在固化過程中膠層收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,在50℃的干燥箱中干燥,并用鐵塊壓制成板狀。加入貝殼粉末的作用是增加膠液的含量、黏度及初韌性;減少并防止膠液在固化過程中膠層收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,提高膠層強度;降低游離甲醛的含量,減少公害。

將市場買到的麻纖維清洗干凈并風干,稱重0.7086 g,按竹纖維復合材料的方法正交鋪層鋪成4層,在層間刷涂還氧樹脂,為減少膠液在固化過程中膠層收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,在50℃的干燥箱中干燥,并用鐵塊壓制成板狀。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂基竹纖維和麻纖維復合材料的組織結(jié)構(gòu)特征

從圖1可見:環(huán)氧樹脂竹纖維復合材料的結(jié)構(gòu)(圖1-a～d)和麻纖維復合材料的結(jié)構(gòu)(圖1-e～h)與貝殼層狀結(jié)構(gòu)相近(圖1-i),這種結(jié)構(gòu)對于固化后的環(huán)氧樹脂基復合材料的原有脆性有了很大程度的改善。

圖1 環(huán)氧樹脂基竹纖維和麻纖維復合材料的顯微結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of bamboo fibre,and hemp fibre reinforced ethoxyline resin composite

2.2 環(huán)氧樹脂基竹纖維和麻纖維復合材料的力學行為

從力和位移曲線可見:未加纖維的樹脂是典型的脆性斷裂,力和位移曲線是一條直線;而添加了麻纖維和竹纖維的復合材料的力和位移曲線經(jīng)過曲線上升到最大應(yīng)力和斷裂(圖2)。這說明在樹脂中添加了麻纖維和竹纖維后,其復合材料的力學性能有了很大的提高。

本研究中的麻纖維和竹纖維應(yīng)用了復合材料中的弱界面理論,即保證界面脫黏時所需要的能量要小于纖維的斷裂能?；w的延性很低,隨著載荷的增大,基體先發(fā)生斷裂,然后裂紋沿著基體與纖維的界面擴展,而弱界面的結(jié)合使裂紋沿界面偏折,從而降低了能量,這是提高材料韌性的主要手段。

圖2 環(huán)氧樹脂基竹纖維和麻纖維復合材料的三點彎曲曲線Fig.2 Three-point bending test curves of bamboo/hemp fibre reinforced ethoxyline resin composite

陶瓷復合材料主要分成兩大類:一類是脆性基體和脆性增強相,另外一類是脆性基體和塑性增強相。在這些相中,連接對于復合材料的性能是至關(guān)重要的。當弱界面存在時,脆性/脆性復合材料的韌性得到增強,弱界面連接引入了分層剝離和裂紋偏斜等增韌機制。在連接緊密的脆性/脆性復合材料遭到破壞時,裂紋擴展不會形成新的表面積,從而斷裂韌性比較低;而脆/塑復合材料在斷裂過程中會引入非彈性或黏彈性組元,從而其斷裂韌性會提高。使用應(yīng)力-位移構(gòu)成法則來分析在復合材料中形成裂紋的能量擴散增韌機制,機械能(Um)的變化與裂紋尺寸的變化相關(guān),可以定義為[5]:

其中:S是材料在裂紋尖端的邊界條件;U是每單位體積的應(yīng)變能;F(u)是拉力向量。對于有橋連增韌機制的復合材料用方程(1)進行J積分就可以計算出機械能量擴散增長:

式中:2u*是在橋連區(qū)域邊緣的裂紋;p(u)是用于克服進行裂紋擴展的橋連機制所需的阻抗應(yīng)力。然而橋連對于增韌的貢獻可由無量綱形式表示:

式中:σd是塑性相的屈服強度;A是塑性相的橫截面積;χw是取決于界面連接和塑性增強相的斷裂功因子。這個斷裂功因子使屈服強度和塑性相連接且共同作用于復合材料,從而使復合材料的韌性增強。

在脆/脆復合材料中存在5種增韌機制:微裂紋、裂紋滯止、界面剝離、界面摩擦以及裂紋重生。這些機制沿著弱界面產(chǎn)生,但是這些界面對于產(chǎn)生的抗破裂能力也具有局限性。雖然這種復合材料比單晶體材料性能有所提高,但仍然只具有中等斷裂韌性和最低的強度。

在脆/塑弱界面復合材料中,強度、斷裂功以及斷裂韌性較脆性/脆性復合材料都提高了很多。這種形式的復合材料在很大程度上提高了材料的力學性能,有較大的應(yīng)用價值。在斷裂過程中,脆/塑弱界面復合材料產(chǎn)生了很多的增韌機制,如裂紋滯止、微裂紋、界面剝離、纖維拔出、塑性橋連、屈服和裂紋重生等。塑性相的屈服強度對于復合材料的破壞至關(guān)重要,隨著塑性相屈服強度的提高,相的延展性降低限制了全部復合材料的變形,但是其強度卻提高了。

本研究中,竹/麻纖維環(huán)氧樹脂復合材料是典型的脆/塑弱界面復合材料,所以具有多種增韌機制。為了更進一步了解其斷裂機制,對三點彎曲后的試樣斷口進行了分析,斷口形貌如圖3所示。

從圖3-a、b可以看出,未加纖維的環(huán)氧樹脂斷口呈現(xiàn)典型的解理斷口,屬于明顯的塑性斷裂;而竹纖維和麻纖維環(huán)氧樹脂復合材料的橫截面斷口和縱截面斷口均存在著裂紋滯止、微裂紋、界面剝離、纖維拔出、塑性橋連等特征。這與圖2中三點彎曲曲線的結(jié)果相對應(yīng),說明竹纖維和麻纖維復合材料的力學性能大大提高,其韌性也有很大程度的提高。

圖3 環(huán)氧樹脂、竹纖維及麻纖維環(huán)氧樹脂復合材料的橫截面斷口結(jié)構(gòu)Fig.3 Fractured section of ethoxyline resin,bamboo fibre,and hemp fibre

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Preparation of fiber reinforced composite material by imitating shell structure

MU Chen-xiao1,DING Xiao-fei1,LIN Ai-guang1,XIE Zhong-dong1,LIANG Yan2,JIANG Ling1
(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China; 2.Department of Engineering Mechanics,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

The epoxy-matrix composites were prepared and its mechanical properties were analyzed by imitating the structure of the shell.The results showed that the property of epoxy-matrix composite adding bamboo fiber and hemp fiber was better than that of epoxy.Toughening mechanism of bamboo and hemp fiber was crack stagnation, microcrack,interfacial debonding,fiber pulling out and plastic bridge,similar to the combination toughening mechanisms of brittleness with a weak interface and plastic with composite.

microstructure of shell;bamboo fiber;hemp fiber;composite

TB333

A

2095-1388(2011)04-0367-04

2010-07-30

遼寧省科學技術(shù)重大項目(2008203001)

牟晨曉(1956-),男,實驗師。

丁曉非(1965-),女,副教授。E-mail:dxf@dlou.edu.cn