摘 要：以紗羅網(wǎng)格織物為增強體，通過模壓工藝制備紗羅網(wǎng)格織物增強聚丙烯/黃麻復合材料，并結(jié)合三點彎曲試驗和有限元分析探究紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置對復合材料彎曲性能影響，進一步分析復合材料彎曲損傷機理。結(jié)果表明，紗羅網(wǎng)格織物鋪放在中上層時復合材料彎曲性能較好。當紗羅網(wǎng)格織物鋪放在上層、中層和下層時，復合材料的彎曲強度相比于未帶有紗羅網(wǎng)格織物的復合材料分別提高了19.28%，18.79%，5.30%，彎曲彈性模量分別提高了24.12%，18.24%，11.76%。通過有限元建立了紗羅網(wǎng)格織物鋪在不同位置的聚丙烯/黃麻復合材料模型，分析了不同鋪層位置下材料的彎曲損傷機理。當紗羅網(wǎng)格織物鋪在復合材料上表面時，主要受到壓力作用，而鋪在下表面時，主要受到拉力作用。隨著紗羅網(wǎng)格織物的下移，應(yīng)力逐漸集中。因此紗羅網(wǎng)格織物鋪放在下層時，損傷較大，力學性能較差。有限元模擬應(yīng)力值與試驗得到的應(yīng)力值誤差分別為4.48%(上層)，2.74%(中層)，3.27%(下層)，模擬得到的載荷-位移曲線與彎曲試驗得到的曲線吻合度較高。
關(guān)鍵詞：黃麻纖維；聚丙烯；紗羅網(wǎng)格織物；彎曲性能；有限元模擬；復合材料；損傷機理
天然植物纖維因其具有環(huán)保、低成本、可再生、可降解、力學性能良好等優(yōu)點，被廣泛用于制備復合材料[1?2]。其中黃麻纖維作為一種環(huán)境友好型綠色材料，以其產(chǎn)量高、密度小、價格低廉、資源可再生等特點，逐漸成為重要的研究對象[3?5]。聚丙烯纖維具有密度小、價廉、力學性能優(yōu)異、耐熱性良好、尺寸穩(wěn)定性好、可加工性強以及可回收等優(yōu)勢[6?7]。使用聚丙烯/黃麻等熱塑性纖維制備的復合材料具有密度低、性價比高、吸聲性能好、耐沖擊、可回收等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾結(jié)構(gòu)，促進汽車輕量化發(fā)展[8?10]。
為了提高聚丙烯/黃麻復合材料的力學性能，國內(nèi)外學者對黃麻纖維進行改性以提高黃麻纖維增強聚丙烯復合材料的力學性能。劉曉燁等[11]使用2%的NaOH處理黃麻纖維，并加入1%的馬來酸酐接枝聚丙烯，制備了改性黃麻纖維增強聚丙烯復合材料，相較于未改性的聚丙烯/黃麻復合材料，彎曲強度提高了68%，彎曲彈性模量提高了93%。Margoto等[12]使用N，N-二甲基苯胺改性黃麻織物用于增強聚丙烯復合材料，發(fā)現(xiàn)在使用0.5%的N，N-二甲基苯胺處理黃麻織物后，復合材料拉伸強度和彎曲強度分別提高了41%和30.50%。黃麻纖維的化學改性雖能夠提高其性能，但卻給環(huán)境帶來了污染。已有研究發(fā)現(xiàn)，使用復合型增強結(jié)構(gòu)能夠提高復合材料的力學性能。錢程[13]以機織物作為加強筋增強非織造復合材料，所得產(chǎn)品拉伸強度和撕裂強度均得到提高，這是因為非織造布與機織物中的經(jīng)、緯紗線產(chǎn)生纏結(jié)，從而使復合材料具有更好的力學性能。使用復合型增強結(jié)構(gòu)在提高復合材料力學性能的同時，也減少了對環(huán)境的污染。
為了降低因一般織物結(jié)構(gòu)緊密所導致的樹脂浸潤性差對復合材料力學性能的不利影響，可選用網(wǎng)格織物作為第二增強相增強復合材料。目前使用較多的網(wǎng)格織物增強體多為經(jīng)編網(wǎng)格織物。然而，經(jīng)編網(wǎng)格織物在受到拉伸時會出現(xiàn)明顯的“束腰”或“頸縮”現(xiàn)象[14?15]，織物變形較大，穩(wěn)定性差，影響復合材料的性能[16]。而紗羅網(wǎng)格織物的緯紗全部浮在地經(jīng)表面，經(jīng)緯紗之間屈曲小，減少了普通機織物中紗線屈曲對復合材料力學性能的影響。且紗羅網(wǎng)格織物織造工藝簡單，織物結(jié)構(gòu)緊密，穩(wěn)定性好[17?18]。因此選用紗羅網(wǎng)格織物作為第二增強相增強復合材料能夠明顯提升復合材料力學性能。
以紗羅網(wǎng)格織物作為復合材料的加強筋已有初步探索。Sankar等[17]發(fā)現(xiàn)紗羅網(wǎng)格織物結(jié)構(gòu)牢固，具有良好的拉伸性能和抗穿刺性能，同時用紗羅網(wǎng)格織物與其它織物組織混合，可以改善紗羅網(wǎng)格織物的性能。Zhang等[18]研究了玄武巖紗羅織物作為混凝土加固材料的力學性能，發(fā)現(xiàn)用直線織成的紗羅織物的性能比捻線織成的紗羅織物性能好。Karbhari等[19]在牙科樹脂中加入紗羅織物，彎曲應(yīng)變提高了126%。然而紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置對復合材料力學性能的影響尚不清楚。
復合材料的彎曲性能是反映材料綜合性能的一個指標。通過有限元仿真模擬，可以觀察到內(nèi)部應(yīng)力分布情況。筆者以聚丙烯纖維和黃麻纖維為原料，制備了紗羅網(wǎng)格織物增強聚丙烯/黃麻復合材料，對使用紗羅網(wǎng)格織物增強的聚丙烯/黃麻復合材料進行三點彎曲試驗與有限元模擬分析，研究了紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置對聚丙烯/黃麻復合材料彎曲性能的影響，并進一步分析了不同鋪層位置的紗羅網(wǎng)格織物增強聚丙烯/黃麻復合材料彎曲失效機理。
1實驗部分
1.1原材料
黃麻纖維：長度為68~72mm，直徑為100~350μm，濉溪縣蘊豐麻紡有限公司；
聚丙烯纖維：細度840D，長度64mm，山東壽光永旭防水材料有限公司；
單股弱捻黃麻粗紗：680tex，濱州惠民縣嘉琦繩網(wǎng)有限公司；聚丙烯紗線：細度450D，山東捷銳化纖繩網(wǎng)有限公司。
1.2主要儀器與設(shè)備
小和毛機：XFH型，青島市膠南針織機械廠；
小型羅拉梳理機：天津嘉誠機電設(shè)備有限公司改造組裝；
花式捻線機：HN32-04型，蘇州市華飛紡織科技有限公司；
半自動小樣織機：DWL150型，蘇州市華飛紡織科技有限公司；
塑料制品液壓機：Y/TD71-45A型，天津市天鍛壓力機有限公司；
萬能強力機：Instron3369型，美國Instron公司；
超景深三維顯微系統(tǒng)：Z16APOA型，德國徠卡微系統(tǒng)有限公司。
1.3復合材料的制備
(1)聚丙烯/黃麻氈及紗羅網(wǎng)格織物制備。采用小和毛機對黃麻纖維和聚丙烯纖維分別進行開松，然后將質(zhì)量比為4∶6的黃麻纖維和聚丙烯纖維混合開松，最后采用小型羅拉梳理機將混合纖維進行梳理成氈，制備的聚丙烯/黃麻氈如圖1所示。
圖1 聚丙烯/黃麻氈
使用半自動小樣織機，用聚丙烯紗線包纏的單股弱捻黃麻粗紗織造紗羅網(wǎng)格織物，實物圖如圖2所示。
圖2 紗羅網(wǎng)格織物實物圖
(2)紗羅網(wǎng)格織物增強聚丙烯/黃麻復合材料的制備。
將聚丙烯/黃麻氈沿著梳理方向鋪放，然后將網(wǎng)格大小為5mm×5mm的紗羅網(wǎng)格織物分別覆蓋在聚丙烯/黃麻氈的上層、中層、下層，最后將其放入塑料制品液壓機中進行模壓加工。首先將溫度升至80℃(上下模同時到達指定溫度，下同)，壓力調(diào)至5MPa，保壓60min，去除纖維中的水分；然后將溫度階梯式(10℃為一階)升至150℃，卸壓1min，再加壓至5MPa，保壓4min，如此循環(huán)3次，以去除處于高彈態(tài)聚丙烯基體中的氣泡，減少成品復合材料中的孔隙，保證其力學性能的優(yōu)越性；最后將壓力調(diào)至14MPa，溫度階梯式調(diào)至185℃，保壓11min[20]。以同樣的方式，制作不帶有紗羅網(wǎng)格織物的聚丙烯/黃麻復合材料用來和帶有紗羅網(wǎng)格織物的復合材料進行比較。鋪層設(shè)計如圖3所示。其中聚丙烯/黃麻復合材料鋪層數(shù)為8層，未加紗羅網(wǎng)格織物時，聚丙烯/黃麻復合材料板的厚度為2mm，紗羅網(wǎng)格織物增強聚丙烯/黃麻復合材料板的厚度為2.5mm。制備的紗羅網(wǎng)格織物增強聚丙烯/黃麻復合材料板如圖4所示。
1—紗羅網(wǎng)格織物；2—聚丙烯/黃麻復合材料
a—紗羅網(wǎng)格織物鋪在上層；b—紗羅網(wǎng)格織物鋪在中層；
c—紗羅網(wǎng)格織物鋪在下層
圖3 紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置設(shè)計
圖4 紗羅網(wǎng)格織物增強聚丙烯/黃麻復合材料板
1.4性能測試與表征
在萬能強力機上對試樣進行三點彎曲加載試驗，如圖5所示。復合材料彎曲性能測試參照ASTMD790-2010。試樣長度為60mm、寬度為25mm，加載速度為1mm/min，彎曲試樣跨距為48mm，試驗過程實時記錄位移-載荷曲線。紗羅網(wǎng)格織物鋪在上層表示離加壓載具較近，鋪在下層則離加壓載具較遠。試驗結(jié)束后，使用超景深三維顯微鏡對試樣斷面形貌進行表征。
圖5 紗羅網(wǎng)格織物三點彎曲試驗
2有限元仿真
根據(jù)紗羅網(wǎng)格織物具體參數(shù)構(gòu)建模型。經(jīng)紗，緯紗長軸長1.4mm，短軸長0.6mm。有限元模型如圖6所示。根據(jù)試樣尺寸60mm×25mm×2.5mm建立聚丙烯/黃麻復合材料模型。建立底座部件(半徑為2mm)以及加載頭部件(半徑為5mm)，裝配結(jié)果如圖7所示。
經(jīng)試驗測試得到聚丙烯/黃麻非織造復合材料的拉伸彈性模量為4160MPa，泊松比為0.38，通過origin軟件計算出屈服應(yīng)力為33.11MPa。紗羅網(wǎng)格織物的拉伸彈性模量為6600MPa，泊松比為0.35。
圖6 紗羅網(wǎng)格織物有限元建模圖
圖7 有限元裝配模型
3結(jié)果與討論
3.1彎曲性能分析
圖8為未加紗羅網(wǎng)格織物和紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置的聚丙烯/黃麻復合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖9為對應(yīng)的彎曲性能數(shù)值。從圖8和圖9可以看出，未加紗羅網(wǎng)格織物的聚丙烯/黃麻復合材料的彎曲性能低于紗羅網(wǎng)格織物增強聚丙烯/黃麻復合材料的彎曲性能。當紗羅網(wǎng)格織物鋪放在上層、中層、下層時，復合材料的彎曲強度依次為71.36，71.07，63.00MPa，相比于未加紗羅網(wǎng)格織物的復合材料，分別提高了19.28%，18.79%，5.30%；彎曲彈性模量依次為6.33，6.03，5.70GPa，相比于未加紗羅網(wǎng)格織物的復合材料，分別提高了24.12%，18.24%，11.76%。且紗羅網(wǎng)格織物鋪放在上層和中層時，彎曲性能差異不明顯，但均大于鋪放在下層時復合材料的彎曲性能。不同鋪層位置的紗羅網(wǎng)格織物增強聚丙烯/黃麻復合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本一致，其斜率大小表明兩個上升階段：第一階段為快速上升階段，此時紗羅網(wǎng)格織物增強聚丙烯/黃麻復合材料上表面受到壓應(yīng)力作用，下表面受到拉應(yīng)力作用，復合材料尚未發(fā)生損傷，曲線斜率基本保持一致，都呈現(xiàn)出明顯的線彈性關(guān)系；第二階段為緩慢增長階段，在達到最大載荷前緩慢爬升，載荷由紗羅網(wǎng)格織物和聚丙烯/黃麻復合材料共同承擔，復合材料表現(xiàn)出漸進破壞特征。
圖8 未加紗羅網(wǎng)格織物和紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置的復合材料彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖9 未加紗羅網(wǎng)格織物和紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置的復合材料彎曲性能
紗羅網(wǎng)格織物鋪放不同位置時，復合材料載荷位移曲線如圖10所示，彎曲性能模擬結(jié)果和試驗測試結(jié)果見表1。從表1可以看到，當紗羅網(wǎng)格織物鋪放在聚丙烯/黃麻非織造材料上層、中層以及下層時，通過有限元軟件模擬的彎曲應(yīng)力值分別為68.16，69.12，65.06MPa，與試驗值的相對誤差分別為4.48%，2.74%和3.27%。另外，從圖10可以看到，試驗測試得到的載荷-位移曲線與模擬分析得到的載荷-位移曲線基本吻合。
圖10 紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置的復合材料彎曲載荷-位移曲線(試驗值與模擬值對比)
表1 復合材料試驗測試彎曲應(yīng)力值和有限元軟件模擬值的對比
3.2彎曲失效行為分析
圖11為紗羅網(wǎng)格織物鋪放在不同位置時的復合材料彎曲斷面形貌。在彎曲載荷的加載下，復合材料上表面受到夾具的壓力作用，下表面受到夾具的拉力作用，紗羅網(wǎng)格織物鋪放在不同位置時出現(xiàn)不同程度的破損。當紗羅網(wǎng)格織物鋪放在下層時，破損程度較鋪放在上層和中層時較大。圖11a為紗羅網(wǎng)格織物鋪放在上層時的復合材料斷面圖，從圖11a可以看出，因壓力作用，在應(yīng)力集中處會產(chǎn)生損傷，裂紋向下擴展，上表面表現(xiàn)出聚丙烯/黃麻復合材料的開裂，因聚丙烯/黃麻復合材料變形大于紗羅網(wǎng)格織物，導致紗羅網(wǎng)格織物與聚丙烯/黃麻復合材料脫離，破壞主要是由于上表面受壓引起的破壞。圖11b為紗羅網(wǎng)格織物鋪放在中間層時的復合材料斷面圖，從圖11b可以看出，受壓側(cè)表現(xiàn)出聚丙烯/黃麻復合材料的團簇向上拱起，出現(xiàn)“鼓包”，受拉側(cè)表現(xiàn)出聚丙烯/黃麻復合材料的向下拱起且出現(xiàn)破損，因聚丙烯/黃麻復合材料的變形大于紗羅網(wǎng)格織物，紗羅網(wǎng)格織物鋪放在中間層起到支撐的作用，紗羅網(wǎng)格織物與聚丙烯/黃麻復合材料分離，載荷被分散到沿著紗羅網(wǎng)格織物橫向傳遞，表現(xiàn)出沿著紗羅網(wǎng)格織物橫向的開裂。圖11c為紗羅網(wǎng)格織物鋪放在下層時的復合材料斷面圖，由圖11c可以看出，聚丙烯/黃麻復合材料和紗羅網(wǎng)格織物均出現(xiàn)破壞，且隨著紗羅網(wǎng)格織物的斷裂，彎曲載荷不斷作用，載荷向上傳遞，導致聚丙烯/黃麻復合材料出現(xiàn)更大的破壞。
圖11 紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置的復合材料彎曲斷面圖
圖12和圖13分別為紗羅網(wǎng)格織物鋪放在不同位置時，紗羅網(wǎng)格織物和聚丙烯/黃麻復合材料的應(yīng)力云圖。觀察應(yīng)力云圖大小范圍可以看出，紗羅網(wǎng)格織物增強聚丙烯/黃麻復合材料的主要承力部件為紗羅網(wǎng)格織物，說明紗羅網(wǎng)格織物能夠增強復合材料的彎曲性能。通過觀察圖12應(yīng)力云圖的仰視圖和俯視圖可以看出，紗羅網(wǎng)格織物鋪放在上層和中間層時，其應(yīng)力集中現(xiàn)象幾乎一樣；而紗羅網(wǎng)格織物鋪放在下層時，其應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯大于鋪放在上層和中間層的織物。同時由圖13觀察聚丙烯/黃麻復合材料所受應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，紗羅網(wǎng)格織物鋪放在下層時，應(yīng)力集中面積大于鋪放在上層和中層的面積。所以當紗羅網(wǎng)格織物鋪放上層和中間層時，其彎曲性能優(yōu)于鋪放在下層的彎曲性能。這也解釋了紗羅網(wǎng)格織物鋪放在下層時，其彎曲斷面破壞較鋪放在上層和中層時較大的原因。
圖12 紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置時的紗羅網(wǎng)格織物應(yīng)力云圖
圖13 紗羅網(wǎng)格織物鋪放在不同位置時的聚丙烯/黃麻復合材料應(yīng)力云圖
圖14a是紗羅網(wǎng)格織物鋪放在不同位置時紗羅網(wǎng)格織物拉應(yīng)力云圖。從圖14a可以看出，隨著紗羅網(wǎng)格織物的下移，紗羅網(wǎng)格織物應(yīng)力逐漸集中，所以當紗羅網(wǎng)格織物鋪放在復合材料下表面時，主要是受拉應(yīng)力引起的破壞。反映在彎曲斷面圖上，表現(xiàn)出的是外側(cè)受拉面的破壞。圖14b是紗羅網(wǎng)格織物鋪放在不同位置時紗羅網(wǎng)格織物壓應(yīng)力云圖。從圖14b可以看到，當紗羅網(wǎng)格織物鋪放在復合材料上表面時，主要受壓應(yīng)力作用，所以當紗羅網(wǎng)格織物鋪放在復合材料上表面時，主要受到的是壓應(yīng)力的破壞。反映在彎曲斷面圖上，表現(xiàn)出的是內(nèi)側(cè)受壓面的破壞。
圖14 紗羅網(wǎng)格織物鋪放在不同位置時紗羅網(wǎng)格織物分應(yīng)力云圖
4結(jié)論
通過彎曲試驗和數(shù)值模擬，研究了紗羅網(wǎng)格織物鋪層位置對復合材料的彎曲性能影響，得到結(jié)論如下。
(1)紗羅網(wǎng)格織物鋪放在上層、中層、下層時，相比于未帶有紗羅網(wǎng)格織物的聚丙烯/黃麻復合材料，帶有紗羅網(wǎng)格織物的復合材料彎曲強度分別提高了19.28%，18.79%，5.30%，彎曲彈性模量分別提高了24.12%，18.24%，11.76%。說明紗羅網(wǎng)格織物確有提高復合材料彎曲性能的效果。
(2)試驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)兩者吻合度較高，且都顯示紗羅網(wǎng)格織物鋪放在中上層時，復合材料彎曲性能較好，因此在使用紗羅網(wǎng)格織物作為增強織物時，可將其鋪放在中上層，以提高復合材料的彎曲性能。
(3)對紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置的復合材料的彎曲過程進行了數(shù)值模擬，分析顯示，紗羅網(wǎng)格織物為主要的承力部件，當紗羅網(wǎng)格織物鋪在復合材料上表面時，主要受到壓力作用，而鋪在下表面時受到拉力作用更為顯著且出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著紗羅網(wǎng)格織物的下移，應(yīng)力逐漸集中。因此紗羅網(wǎng)格織物鋪放在不同位置時，復合材料彎曲斷面呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。
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Wu Shuai，Wu Huawei，Wang Chunhong，et al.Mechanical properties of leno mesh fabric reinforced PP/jute composite[J].Engineering Plastics Application，2022，50(3)：1?7，24.
文章摘自：李蘇文，吳華偉，王春紅，吳帥，劉勝凱，左祺，張昊，陳澄.紗羅網(wǎng)格織物鋪層位置對聚丙烯/黃麻復合材料彎曲性能影響及有限元模擬[J].工程塑料應(yīng)用，2022，50(11)：67-73.
