牟晨曉,丁曉非,林艾光,謝忠東,梁艷,姜玲

(1.大連海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧大連116023;2.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系,遼寧大連116024)

仿貝殼結(jié)構(gòu)制備纖維增強(qiáng)的復(fù)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧大連116023;2.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系,遼寧大連116024)

模仿貝殼的層狀結(jié)構(gòu),以環(huán)氧樹(shù)脂作為基體,在樹(shù)脂中添加了竹纖維和麻纖維,并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明:與環(huán)氧樹(shù)脂材料相比,添加了竹纖維和麻纖維的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能有所改善;竹纖維和麻纖維的增韌機(jī)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(fù)合材料增韌機(jī)制相似。

貝殼結(jié)構(gòu);竹纖維;麻纖維;復(fù)合材料

軟體動(dòng)物貝殼是一種優(yōu)良的有機(jī)-無(wú)機(jī)界面復(fù)合材料[1-2],其微結(jié)構(gòu)是其具有優(yōu)良力學(xué)性能的重要原因之一[3-6],其形成過(guò)程本身就是納米材料的自組裝聚合的過(guò)程。目前對(duì)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(qiáng)度比其他天然纖維高,可以稱(chēng)其為高性能天然纖維。按復(fù)合材料的廣義定義,也屬于復(fù)合材料范圍。竹材具有眾多復(fù)合材料的特性和組成特點(diǎn),同時(shí)具有各向異性,比強(qiáng)度和比模量較高,適合作為復(fù)合材料的增強(qiáng)劑。關(guān)于竹和麻纖維復(fù)合材料及其制品的應(yīng)用開(kāi)發(fā)國(guó)外研究的較深入,已廣泛應(yīng)用于工程上,國(guó)內(nèi)才剛剛起步。高性能天然纖維復(fù)合材料的制品可以廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、建筑、船舶、家居裝飾和工業(yè)品包裝等行業(yè)。開(kāi)展天然纖維復(fù)合材料及其制品的研究,對(duì)充分利用中國(guó)豐富的天然纖維資源和已有的復(fù)合材料技術(shù)優(yōu)勢(shì),改造傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)、林業(yè)和工業(yè)產(chǎn)業(yè),加強(qiáng)環(huán)境保護(hù),以提高新材料技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率等具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本試驗(yàn)中,作者模仿貝殼的層狀結(jié)構(gòu),以環(huán)氧樹(shù)脂作為基體,在樹(shù)脂中添加了竹纖維和麻纖維,并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)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(guò)清洗后沿徑向縱向破開(kāi),再沿弦向切成3～5 mm的薄片,經(jīng)過(guò)機(jī)械方法將竹片打散,使纖維展開(kāi),再分切成長(zhǎng)度為4～6 cm的短片。將處理過(guò)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(rùn)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(guò)的竹纖維放在50 g/L的NaOH溶液中浸泡24 h后取出。經(jīng)過(guò)堿處理過(guò)的竹纖維表面的蠟質(zhì)、油質(zhì)被清除掉,同時(shí)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(duì)增加,纖維表面對(duì)樹(shù)脂基體的浸潤(rùn)性也得到改善。在體積分?jǐn)?shù)為30%的過(guò)氧化氫(H2O2)溶液中浸泡20 h,可使竹片清理干凈,消除腐蝕細(xì)菌,還能改善纖維表面的浸潤(rùn)性,增進(jìn)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(duì)其進(jìn)行梳理,整理成竹纖維絲備用。

1.2 樹(shù)脂基竹纖維和麻纖維復(fù)合材料的制備

將處理過(guò)的竹纖維稱(chēng)重0.3647 g,并將其按正交鋪層鋪成3層,在層間涂上還氧樹(shù)脂(w(樹(shù)脂)∶w(固化劑)∶w(貝殼粉末)=162∶27∶4)。為了減少膠液在固化過(guò)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(guò)程中膠層收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,提高膠層強(qiáng)度;降低游離甲醛的含量,減少公害。

將市場(chǎng)買(mǎi)到的麻纖維清洗干凈并風(fēng)干,稱(chēng)重0.7086 g,按竹纖維復(fù)合材料的方法正交鋪層鋪成4層,在層間刷涂還氧樹(shù)脂,為減少膠液在固化過(guò)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(shù)脂基竹纖維和麻纖維復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)特征

從圖1可見(jiàn):環(huán)氧樹(shù)脂竹纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)(圖1-a～d)和麻纖維復(fù)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(duì)于固化后的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的原有脆性有了很大程度的改善。

圖1 環(huán)氧樹(shù)脂基竹纖維和麻纖維復(fù)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(shù)脂基竹纖維和麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)行為

從力和位移曲線可見(jiàn):未加纖維的樹(shù)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(fù)合材料的力和位移曲線經(jīng)過(guò)曲線上升到最大應(yīng)力和斷裂(圖2)。這說(shuō)明在樹(shù)脂中添加了麻纖維和竹纖維后,其復(fù)合材料的力學(xué)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(fù)合材料中的弱界面理論,即保證界面脫黏時(shí)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(kuò)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(shù)脂基竹纖維和麻纖維復(fù)合材料的三點(diǎn)彎曲曲線Fig.2 Three-point bending test curves of bamboo/hemp fibre reinforced ethoxyline resin composite

陶瓷復(fù)合材料主要分成兩大類(lèi):一類(lèi)是脆性基體和脆性增強(qiáng)相,另外一類(lèi)是脆性基體和塑性增強(qiáng)相。在這些相中,連接對(duì)于復(fù)合材料的性能是至關(guān)重要的。當(dāng)弱界面存在時(shí),脆性/脆性復(fù)合材料的韌性得到增強(qiáng),弱界面連接引入了分層剝離和裂紋偏斜等增韌機(jī)制。在連接緊密的脆性/脆性復(fù)合材料遭到破壞時(shí),裂紋擴(kuò)展不會(huì)形成新的表面積,從而斷裂韌性比較低;而脆/塑復(fù)合材料在斷裂過(guò)程中會(huì)引入非彈性或黏彈性組元,從而其斷裂韌性會(huì)提高。使用應(yīng)力-位移構(gòu)成法則來(lái)分析在復(fù)合材料中形成裂紋的能量擴(kuò)散增韌機(jī)制,機(jī)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(duì)于有橋連增韌機(jī)制的復(fù)合材料用方程(1)進(jìn)行J積分就可以計(jì)算出機(jī)械能量擴(kuò)散增長(zhǎng):

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

式中:σd是塑性相的屈服強(qiáng)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(qiáng)相的斷裂功因子。這個(gè)斷裂功因子使屈服強(qiáng)度和塑性相連接且共同作用于復(fù)合材料,從而使復(fù)合材料的韌性增強(qiáng)。

在脆/脆復(fù)合材料中存在5種增韌機(jī)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(jī)制沿著弱界面產(chǎn)生,但是這些界面對(duì)于產(chǎn)生的抗破裂能力也具有局限性。雖然這種復(fù)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(qiáng)度。

在脆/塑弱界面復(fù)合材料中,強(qiáng)度、斷裂功以及斷裂韌性較脆性/脆性復(fù)合材料都提高了很多。這種形式的復(fù)合材料在很大程度上提高了材料的力學(xué)性能,有較大的應(yīng)用價(jià)值。在斷裂過(guò)程中,脆/塑弱界面復(fù)合材料產(chǎn)生了很多的增韌機(jī)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(qiáng)度對(duì)于復(fù)合材料的破壞至關(guān)重要,隨著塑性相屈服強(qiáng)度的提高,相的延展性降低限制了全部復(fù)合材料的變形,但是其強(qiáng)度卻提高了。

本研究中,竹/麻纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料是典型的脆/塑弱界面復(fù)合材料,所以具有多種增韌機(jī)制。為了更進(jìn)一步了解其斷裂機(jī)制,對(duì)三點(diǎn)彎曲后的試樣斷口進(jìn)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(shù)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(shù)脂復(fù)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(diǎn)彎曲曲線的結(jié)果相對(duì)應(yīng),說(shuō)明竹纖維和麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能大大提高,其韌性也有很大程度的提高。

圖3 環(huán)氧樹(shù)脂、竹纖維及麻纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)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(xué)技術(shù)重大項(xiàng)目(2008203001)

牟晨曉(1956-),男,實(shí)驗(yàn)師。

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