冲击荷载下植物纤维增强高聚物复合材料的力学性能

马东方 马伯翰 张幸锵

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冲击荷载下植物纤维增强高聚物复合材料的力学性能

    作者简介: 马东方(1981-),男,博士,讲师,主要从事结构与材料动态响应研究. E-mail:madongfang@nbu.edu.cn;
  • 中图分类号: O347.3

Mechanical Properties of Natural Fiber Reinforced Polymer Composites under Impact Loading

  • CLC number: O347.3

  • 摘要: 植物纤维代替人造纤维作为填充体的增强高聚物复合材料可用于汽车、航空航天等工业。选用一定含量的植物纤维及其他填充材料增强高聚物复合材料,在万能材料试验机和分离式霍普金森杆实验装置上进行不同应变率下准静态和动态冲击拉伸及压缩实验。结果显示,在植物纤维中加入少量的纳米黏土颗粒和长玻璃纤维能够较大地提高复合材料的力学性能。使用扫描电子显微镜对不同应变率拉伸下的回收试件断口进行微观分析,揭示了植物纤维增强高聚物复合材料在不同应变率下的断裂特性。
  • 图 1  复合材料挤注成型试件

    Figure 1.  Extrusion molding composite specimens

    图 2  试件几何尺寸(单位:mm)

    Figure 2.  Dimensions of specimens (Unit: mm)

    图 3  SHTB实验装置示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of SHTB experimental setup

    图 4  含不同填料的植物纤维增强高聚物复合材料的典型准静态实验结果

    Figure 4.  Typical quasi-static experimental results of natural fiber reinforced PP composites with different fillings

    图 5  不同应变率下含不同填料的植物纤维增强高聚物复合材料典型SHTB实验结果

    Figure 5.  Typical SHTB experimental results of natural fiber reinforced PP composites with different fillings at different strain rates

    图 6  不同应变率下含不同填料的植物纤维增强高聚物复合材料的典型SHPB实验结果

    Figure 6.  Typical SHPB experimental results of natural fiber reinforced PP composites at different strain rates

    图 7  不同应变率下典型拉伸实验后回收试件断裂表面的SEM图像

    Figure 7.  SEM images of fracture surface of recovered tensile specimens at different strain rates

    图 8  不同应变率下典型的压缩实验回收试件

    Figure 8.  Typical recovered specimens of dynamic compressive tests at different strain rates

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-15
  • 录用日期:  2018-12-21
  • 刊出日期:  2019-04-01

冲击荷载下植物纤维增强高聚物复合材料的力学性能

    作者简介:马东方(1981-),男,博士,讲师,主要从事结构与材料动态响应研究. E-mail:madongfang@nbu.edu.cn
  • 1. 宁波大学科学技术学院,浙江 宁波 315211
  • 2. 宁波大学力学与材料科学研究中心,浙江 宁波 315211

摘要: 植物纤维代替人造纤维作为填充体的增强高聚物复合材料可用于汽车、航空航天等工业。选用一定含量的植物纤维及其他填充材料增强高聚物复合材料,在万能材料试验机和分离式霍普金森杆实验装置上进行不同应变率下准静态和动态冲击拉伸及压缩实验。结果显示,在植物纤维中加入少量的纳米黏土颗粒和长玻璃纤维能够较大地提高复合材料的力学性能。使用扫描电子显微镜对不同应变率拉伸下的回收试件断口进行微观分析,揭示了植物纤维增强高聚物复合材料在不同应变率下的断裂特性。

English Abstract

  • 纤维增强高聚物复合材料具有良好的力学性能,广泛应用于航空、汽车、体育运动等工业中[1-2]。较为常见的植物纤维(如亚麻纤维、大麻纤维、黄麻纤维等)与传统的人造纤维(玻璃纤维、碳纤维)相比,具有更好的力学性能,同时还具有价格低、密度小、易成型、能降解且可循环再生等优点。近年来,植物纤维代替传统的人造纤维增强高聚物复合材料引起了众多研究者的兴趣。然而,亲水基的植物纤维与憎水基复合材料基体之间很难融合。为了改善二者之间的混合,通常采用化学方法(碱液、乙酰、硅烷等)对植物纤维表面进行修饰[3-7],同时加入偶联剂—马来酸酐(MAPP)改性热塑性基体材料,使植物纤维与基体材料通过挤塑或压塑等方法进行充分混合[8-10]

    目前对纤维增强复合材料尤其是植物纤维增强高聚物复合材料的研究,大多集中在植物纤维的表面处理以及准静态拉伸、压缩及剪切的力学性能上[11-13]。Ahmad等[14]发现复合材料的拉伸性能随着植物纤维含量的增加而变好。Sain等[15] 研究了准静态荷载下低分子量的MAPP对各类植物纤维(如牛皮纸浆、大麻等)增强聚丙烯的影响,结果显示,合适含量的MAPP能有效增强复合材料的拉伸性能。然而,由复合材料制成的结构构件经常遭受高速冲击或爆炸荷载,为准确描述冲击荷载下的结构响应,需要精确获得复合材料的动态力学性质,另外结构构件的最终断裂往往是动态过程,因此有必要对植物纤维增强高聚物复合材料在冲击荷载下的力学特性进行研究。

    本研究采用Instron万能材料试验机及分离式Hopkinson拉伸(SHTB)和压缩(SHPB)实验系统,研究一定含量经表面修饰后的植物纤维增强聚丙烯复合材料在不同应变率下的力学性能。为改善植物纤维与热塑性基体材料之间的粘结强度并使植物纤维均匀分散在基体材料中,在填料中加入少量经修饰的纳米黏土颗粒(M-clay)和长玻璃纤维(LGF)。利用扫描电子显微镜(SEM)观测典型回收试件的断口表面形貌,揭示植物纤维增强高聚物复合材料在不同应变率下的断裂特性。

    • 选用较常用的植物纤维—黄麻(Jute)作为增强材料,基体为热塑性材料聚丙烯(PP)。为使亲水基的植物纤维与憎水基的基体材料之间更好地融合,使用三乙氧基硅烷及三甲氧基甲硅烷修饰黄麻纤维。将经硅烷表面处理后的黄麻纤维与聚丙烯在双螺杆热注塑机中进行混料。需要注意的是,为使材料充分融合,需要调节各个单元块的温度及螺杆速度,混料时尽量避免黄麻植物纤维长时间经受高温。采用热挤注机将混合好的复合材料挤注成型,加工成如图1图2所示的试件。受挤注模具的限制,需先将复合材料挤注成片状样品,然后切割加工成如图1(b)图1(c)所示的试件,用于SHPB和SHTB实验。

      图  1  复合材料挤注成型试件

      Figure 1.  Extrusion molding composite specimens

      图  2  试件几何尺寸(单位:mm)

      Figure 2.  Dimensions of specimens (Unit: mm)

      经测试发现,经表面修饰后的植物纤维与基体材料的粘结强度不高,且植物纤维极易从基体材料中拔出,这可能是由于黄麻纤维在热塑性基体材料中分散不均匀,容易发生簇团。为解决该问题,在基体材料中加入少量的经硅烷修饰并用环氧树脂插入的纳米黏土颗粒(M-clay)。

      曾广胜等[16]研究发现,植物纤维增强复合材料的抗拉性能随着纤维含量的增加而增强,但纤维含量超过一定量时,复合材料的抗拉性能反而降低。经过反复的配比及试验发现,当植物纤维的质量分数为30%时,可以得到比较理想的增强效果,与我们的试验结果基本一致。据此,本研究选用质量分数为30%的经修饰后的黄麻纤维,分别添加少量的纳米黏土颗粒(质量分数5%)和长玻璃纤维(质量分数4%)等填充材料,与聚丙烯充分混合成不同的复合材料,然后分别采用Instron万能材料试验机和SHTB、SHPB实验系统,进行不同填料增强的聚丙烯复合材料在不同应变率下的力学性能研究。

    • 采用Instron万能材料试验机,对不同填料增强复合材料进行准静态拉伸和压缩实验,应变率均控制在10–3 s–1。采用接触式引伸计同步测量试件在准静态拉伸过程中的平均应变。

      采用SHTB实验系统进行高应变率下植物纤维增强高聚物复合材料的冲击拉伸实验。SHTB实验系统中,采用高压气体驱动长度为400 mm的子弹,在长度为4700 mm、直径为19 mm的入射杆及相同直径的透射杆中产生拉伸波,入射杆和透射杆上的应变片记录入射、反射和透射脉冲信号,由动态应变仪将其转化成电信号。考虑到透射信号较弱,用灵敏度较高的半导体应变片增强透射信号。因复合材料板条试件无法直接与中空的入射杆及透射杆连接,采用与入射杆及透射杆直径相同、材料接近的特殊转化夹具将试件与杆连接,如图3所示。特殊夹具包括两部分:带有刻槽的部分用螺杆与入射杆、透射杆连接,用高强度胶将板条试件粘在刻槽内,为避免应力集中,仅将试件的矩形段与夹具粘结;将夹具的另一部分与带刻槽的部分用高强胶粘结。为近似满足SHTB实验中某一段时间内试件的应力和应变处于均匀状态,对板条试件进行优化设计,优化后的试件尺寸如图2所示。优化后的板条试件在SHTB装置上进行不同应变率(100~1200 s–1)下的动态拉伸实验,通过调节高压气室的气压改变子弹的冲击速度。

      图  3  SHTB实验装置示意图

      Figure 3.  Schematic diagram of SHTB experimental setup

      采用SHPB实验系统对直径为6 mm、高度为3.2 mm的圆柱形试件进行高应变率冲击压缩实验,其中入射杆、透射杆及吸收杆的直径均为14 mm。实验过程中,通过调节气室压力改变圆柱形子弹的冲击速度。

      基于一维弹性波理论[17],SHTB和SHPB实验中试件的应力$\sigma (t)$、应变$\varepsilon \left( t \right)$和应变率$\dot \varepsilon (t)$由下式给出

      $\sigma (t) = \frac{{{A_0}}}{{{A_{\rm{s}}}}}{E_0}{\varepsilon _{\rm{t}}}(t)$

      $\varepsilon \left( t \right) = {\rm{ - }}\frac{{2{C_0}}}{{{L_{\rm{s}}}}}\int_0^t {{\varepsilon _{\rm{r}}}(t){\rm{d}}t} $

      $\dot \varepsilon (t) = - \frac{{2{C_0}}}{{{L_{\rm{s}}}}}{\varepsilon _{\rm{r}}}(t)$

      式中:${\varepsilon _{\rm{r}}}(t)$${\varepsilon _{\rm{t}}}(t)$分别为反射波和透射波的应变信号,A0为入射杆和透射杆的横截面面积,LsAs分别为试件有效段的长度和横截面积,C0为入射杆和透射杆的弹性波速。

    • 使用Instron万能材料试验机对不同填料增强的高聚物复合材料进行准静态拉伸和压缩实验。为了减小材料不均匀以及实验过程引入的误差,对每种复合材料分别选取5个有效结果进行平均,不同材料的准静态拉伸、压缩的应力-应变曲线如图4所示。结果显示,加入少量经修饰后的纳米黏土颗粒和长玻璃纤维后,复合材料的抗拉强度有较大提升,并且压缩性能也有所改善,断裂应变无明显降低。

      图  4  含不同填料的植物纤维增强高聚物复合材料的典型准静态实验结果

      Figure 4.  Typical quasi-static experimental results of natural fiber reinforced PP composites with different fillings

      采用SHTB和SHPB实验装置分别进行植物纤维增强高聚物复合材料在不同应变率下的冲击拉伸及压缩实验。由于板条试件与SHTB实验装置由专门夹具连接,冲击拉伸过程中除了试件有效段发生变形之外,板条试件的过渡段和夹具也可能发生变形。为了精确测量试件有效段的应变,采用非接触式应变测量方法。申海艇等[18]分析了数字图像相关性全场应变方法与采用(2)式所得应变之间的差异,并验证了数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的有效性。据此,引入参数K对(2)式进行修正并加以验证,修正后的结果为$\varepsilon \left( t \right) = - \dfrac{{2K{C_0}}}{{{L_{\rm{s}}}}}\int_0^t {{\varepsilon _{\rm{r}}}(t){\rm{d}}t} $。为了得到真实可靠的实验结果,对不同填料增强复合材料在相同应变率下进行多次重复实验,将相同应变率下的10次有效实验数据进行平均,典型的实验结果如图5所示。填充材料及应变率均对复合材料的应力-应变曲线有较显著的影响,植物纤维增强高聚物复合材料的拉伸性能均随着应变率的增加而增加,而失效应变则随之降低。需要指出的是:图5中当应变率在100 s–1左右时,首次冲击荷载下复合材料板条试件没有发生断裂,应力-应变曲线的陡降是由于SHTB实验的应力历史引起(试件在实验中遭受多次冲击拉伸)。当SHTB实验中子弹的冲击拉伸速度较大时,首次冲击作用下试件被拉伸致断裂;而当应变率超过200 s–1后,应力-应变曲线的陡降则是由于试件断裂造成的。加入少量纳米黏土颗粒后,植物纤维增强高聚物复合材料的力学性能有一定程度提高,但增强效果达不到传统纤维增强效果,在30%的黄麻纤维内加入5%经修饰后的纳米黏土颗粒及少量的长玻璃纤维之后,相同的应变率下其抗拉强度较前者提高15%~20%,并且延性并无明显降低。

      图  5  不同应变率下含不同填料的植物纤维增强高聚物复合材料典型SHTB实验结果

      Figure 5.  Typical SHTB experimental results of natural fiber reinforced PP composites with different fillings at different strain rates

      为了进一步研究植物纤维增强热塑性基体材料的力学性能,在SHPB实验系统中进行冲击压缩实验。由于试件与入射杆、透射杆之间的接触较为紧密,实验过程中只有圆柱形试件产生变形。此外,试件的直径与入射杆及透射杆直径差别较大,很难用非接触式应变测量系统准确测量。因此,植物纤维及其填料增强的不同高聚物复合材料实验中的应力、应变及应变率由(1)式~(3)式给出。不同应变率下,不同复合材料典型的应力-应变曲线如图6所示。可以看出:植物纤维增强高聚物复合材料压缩性能的应变率效应也较为明显;植物纤维中增添一定量的纳米黏土颗粒可提高复合材料的抗压性能,而在填料中添加少量的长玻璃纤维对抗拉性能的提高并不显著。

      图  6  不同应变率下含不同填料的植物纤维增强高聚物复合材料的典型SHPB实验结果

      Figure 6.  Typical SHPB experimental results of natural fiber reinforced PP composites at different strain rates

    • 通过观察不同应变率拉伸实验后回收的典型试件发现,试件拉伸断口比较平直,且断裂位置随机。为了进一步研究植物纤维增强高聚物复合材料的断裂特性,采用SEM观测回收试件的断口,典型结果如图7所示。需要说明的是,在较低的拉伸应变率(小于200 s–1)下,首次冲击拉伸下板条试件没有发生断裂,为此本研究只列出首次拉伸荷载下发生断裂的试件断口SEM图像。准静态拉伸下,不同填料增强的高聚物复合材料的断口均出现较多的韧窝。这可能是由于热塑性基体材料在拉伸过程中首先发生变形,纤维与基体发生相互作用,当荷载不大时,纤维没有被拔出或拉断,而是随着基体材料共同变形;随着荷载的逐渐增加,基体材料达到极限承载力后发生失效,荷载主要由纤维承担,最终纤维被拉断或拔出,在断口上留下韧性基体材料的失效韧窝。然而,随着应变率的增加,试件断口上的韧窝逐渐消失,断口呈现脆性断裂标志的河流状,并且长玻璃纤维和植物纤维被拉断或拔出得越来越多。同时发现,植物纤维增强高聚物复合材料在拉伸过程中植物纤维被拔出或撕裂,并且随着应变率的增加,纤维被撕裂的数量逐渐增多。这是由于基体材料的强度较低,部分纤维迅速承担大部分荷载而达到其失效条件,纤维断裂或被拔出,而此时基体材料来不及参与变形,使得断口表面没有出现韧窝。从图7中也可以看出,增加纳米黏土颗粒后,植物纤维与基体材料之间的结合更加紧密,少量的长玻璃纤维还能增加高聚物复合材料的抗拉强度。

      图  7  不同应变率下典型拉伸实验后回收试件断裂表面的SEM图像

      Figure 7.  SEM images of fracture surface of recovered tensile specimens at different strain rates

      植物纤维增强高聚物复合材料SHPB实验的典型回收试件形貌如图8所示。可见,准静态实验中试件并没有压碎,而呈现出延性材料的特性。在SHPB实验中,试件均发生不同程度的破坏;随着应变率的增加,破坏程度增加,并且破坏始于试件中心,随后向周围蔓延,断裂面与水平面的夹角约为40°。

      图  8  不同应变率下典型的压缩实验回收试件

      Figure 8.  Typical recovered specimens of dynamic compressive tests at different strain rates

    • 采用双螺杆挤出机将经表面处理的植物纤维及其他增强材料与聚丙烯均匀混合形成复合材料,由热挤注机加工成型。采用万能材料试验机及SHTB、SHPB实验装置,对一定含量的植物纤维及其他填充材料增强聚丙烯复合材料进行准静态和动态拉伸及压缩实验,用SEM观测典型回收试件的断裂表面,得到以下主要结论:

      (1)在一定量的植物纤维中加入少量经修饰后的纳米黏土颗粒和长玻璃纤维等填料,能够明显提高聚丙烯复合材料的抗拉性能,植物纤维增强高聚物复合材料的拉伸强度及失效时的应变均与应变率相关;

      (2)在填充材料中添加少量的纳米黏土颗粒可以提高复合材料的抗压强度,并且随着应变率的增加,破坏程度增加,而破坏开始于试件中心,随后向周边蔓延,断裂面与水平面的夹角约为40°;

      (3)准静态拉伸致断裂的断口形貌与冲击荷载下的断口形貌完全不同,准静态拉伸断裂伴随韧性断裂特征,而冲击拉伸断裂则更多表现为脆性断裂特性。

参考文献 (18)

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