循環(huán)荷載下黃麻纖維/聚乙烯復合材料的殘余變形演化與能量耗散特性*

1.湖南工程學院紡織服裝學院，湖南 湘潭 411104；2.湖南省新型纖維面料及加工工程技術研究中心，湖南 益陽 413000；3.東華大學紡織學院，上海 201620

麻纖維的來源廣泛，具有低密度、高結晶度和高比強度，是天然纖維中強度最高、伸長率最小的一種生物質(zhì)材料，被認為是復合材料中替代玻璃纖維的理想材料之一[1-2]。以麻纖維為增強材料所制備的熱塑性復合材料，具有成本低、能耗低、成形時間短、可重復加工、抗沖擊韌性與耐疲勞性能良好，以及破損后安全性高等優(yōu)點[3]。

目前，眾多學者就增強體與基體種類、增強體結構形式及制備工藝對麻纖維增強熱塑性復合材料的力學性能[4-8], [9]47-54, [10]21-24+29-35、耐老化性能[11-12]、熱穩(wěn)定性[10]24-25+36-39、耐熱氧化性能[13]、吸濕性能[9]56-57, [14]及生物可降解性能[15-17]進行了較為全面的研究，而對此類材料的長期力學性能(如蠕變、應力松弛)，特別是循環(huán)荷載下的力學性能與能量耗散特性的研究較少。

基于此，考慮到黃麻纖維易得、價廉的優(yōu)勢，本文以黃麻纖維織物為增強體，以聚乙烯(PE)膜為基體，通過熱壓法制備黃麻纖維/聚乙烯復合材料，并對其在循環(huán)荷載下的拉伸力學性能進行測試，對其變形特性與能量耗散特性進行分析。

1 試驗

1.1 復合材料制備

以商購的組織結構為平紋的黃麻纖維織物為增強體，通過實測得到其經(jīng)緯向紗線的線密度均為290 tex，經(jīng)緯向紗線的排列密度分別為77、71根/(10 cm)，面密度為437.5 g/m2。

采用自行搭建的熱壓設備制備復合材料。在單層黃麻纖維織物的兩面均鋪設厚度為0.50 mm的PE膜，在熱壓溫度為160 ℃、熱壓壓力為1 MPa的條件下保壓15 min，然后自然冷卻，得到黃麻纖維/聚乙烯復合材料，通過實測得到其厚度為1.62 mm。

1.2 力學性能測試

采用WDW-20C微機控制電子萬能試驗機(上海華龍測試儀器股份有限公司)測試黃麻纖維/聚乙烯復合材料的拉伸斷裂強力和拉伸斷裂伸長率及其在循環(huán)荷載下的拉伸力學性能。參考GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》標準制備試樣，試樣寬度為(25.00±1.00)mm，有效夾持隔距為(100.00±1.00)mm。

1.2.1 拉伸試驗

以10 mm/min的加載速率將試樣拉伸至斷裂，獲得其經(jīng)緯向的拉伸斷裂強度，為后續(xù)循環(huán)荷載試驗中循環(huán)荷載峰值的選用提供參考依據(jù)。有效試樣數(shù)為5。實測試樣的經(jīng)向、緯向拉伸斷裂強度分別為35.40、30.78 N/mm2。

1.2.2 循環(huán)荷載試驗

以10 mm/min的加載速率進行自動加載和卸載，設定循環(huán)荷載峰值分別為250、500、750 N，對應的循環(huán)應力峰值σmax分別約為6.17、12.35、18.52 N/mm2，分別為試樣經(jīng)向拉伸斷裂強度的17.44%、34.87%、52.31%，緯向拉伸斷裂強度的20.05%、40.11%、60.16%，設定循環(huán)荷載次數(shù)(N)為200。為確保試驗過程中試樣始終處于張拉狀態(tài)，設定卸載時下限荷載為10 N，對應的下限應力σmin約為0.25 N/mm2。有效試樣數(shù)為3。

以上試驗均在環(huán)境溫度為(20±1)℃、相對濕度為(65±2)%的條件下進行。

2 結果與分析

2.1 循環(huán)荷載下試樣的變形特性

依據(jù)試驗結果，繪制循環(huán)應力峰值為12.35 N/mm2時經(jīng)向、緯向試樣的循環(huán)荷載應力-應變曲線，如圖1所示。

圖1 試樣的循環(huán)荷載應力-應變曲線(σmax=12.35 N/mm2)

由圖1可見，第一次循環(huán)荷載所對應的試樣的彈性模量(即循環(huán)荷載應力-應變曲線初始段的斜率)較小，隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，試樣的彈性模量逐漸增大。分析其主要原因：

加載前，試樣中存在一定的微孔隙和裂紋等損傷；加載后，增強體中的黃麻纖維分子與基體中的聚乙烯大分子之間的相對位置發(fā)生變化而產(chǎn)生滑移，黃麻纖維織物的幾何結構也發(fā)生變化，加上增強體-基體界面產(chǎn)生脫黏等，導致第一次循環(huán)荷載過程中試樣的彈性模量較低，顯得較“軟”。隨著循環(huán)荷載過程的繼續(xù)，增強體中的黃麻纖維分子與基體中的聚乙烯大分子之間的相對滑移量小，黃麻纖維織物的幾何結構變化和增強體-基體界面的脫黏現(xiàn)象減少，試樣變形主要由增強體中的黃麻纖維分子與基體中的聚乙烯大分子鏈的伸長造成，試樣的彈性模量有所提高。

由圖1還可看出，經(jīng)向、緯向試樣的循環(huán)荷載應力-應變曲線形狀高度類似，表明循環(huán)荷載過程中經(jīng)向、緯向試樣的變形機理類似。

以循環(huán)應力峰值為12.35 N/mm2的經(jīng)向試樣為例，通過對其前3次的循環(huán)荷載應力-應變曲線(圖2)做進一步分析發(fā)現(xiàn)，每次循環(huán)荷載過程中，試樣的加載曲線與卸載曲線、加載起點與卸載終點并不重合，構成不封閉的滯回環(huán)。隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，加載起點與卸載終點呈逐漸向右偏移的變化趨勢，表明每次循環(huán)荷載過程中均產(chǎn)生了不可逆的塑性變形，但新增加的塑性變形的量存在差異。

圖2 經(jīng)向試樣前3次的循環(huán)荷載應力-應變曲線(σmax=12.35 N/mm2)

如圖2所示，在循環(huán)荷載過程中，卸載終點即循環(huán)荷載達到下限應力σmin時所對應的應變?yōu)棣舖in，其為當前循環(huán)荷載及之前的循環(huán)荷載所產(chǎn)生的試樣的殘余應變的累積，而各次循環(huán)荷載所產(chǎn)生的試樣的殘余應變εp：

(1)

本試驗中，下限應力σmin(約0.25 N/mm2)約為所選用的循環(huán)應力峰值σmax的最小值(6.17 N/mm2)的4.00%，約為循環(huán)應力峰值σmax的最大值(18.52 N/mm2)的1.33%。下限應力σmin相對于循環(huán)應力峰值σmax較小，認為εmin是當前循環(huán)荷載及之前的循環(huán)荷載所產(chǎn)生的塑性應變的累積，而各次循環(huán)荷載所產(chǎn)生的殘余應變也可認為是塑性應變。

循環(huán)應力峰值為6.17、12.35、18.52 N/mm2時，經(jīng)向、緯向試樣經(jīng)200次循環(huán)荷載過程所產(chǎn)生的累積殘余應變與循環(huán)荷載次數(shù)的關系曲線如圖3所示。

圖3 試樣的累積殘余應變與循環(huán)荷載次數(shù)的關系曲線

從圖3可以看出，隨著循環(huán)應力峰值的提高，試樣的累積殘余應變呈逐漸增加的變化趨勢。在循環(huán)峰值應力和循環(huán)荷載次數(shù)相同的條件下，相對于經(jīng)向試樣，緯向試樣的累積殘余應變較大，且循環(huán)應力峰值越大，經(jīng)向、緯向試樣的累積殘余應變之間的差異越明顯。

通過分析經(jīng)向、緯向試樣在各次循環(huán)荷載過程中產(chǎn)生的殘余應變(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)荷載過程的進行，經(jīng)向、緯向試樣經(jīng)各次循環(huán)荷載所產(chǎn)生的殘余應變均呈逐漸減小的變化趨勢，且前3次循環(huán)荷載過程所產(chǎn)生的殘余應變的變化較為明顯。

從圖4還可以看出，在相同的循環(huán)荷載次數(shù)下，隨著循環(huán)應力峰值提高，經(jīng)向、緯向試樣經(jīng)各次循環(huán)荷載所產(chǎn)生的殘余應變增加。在循環(huán)荷載作用下，增強體中的黃麻纖維分子和基體中的聚乙烯大分子伸長并產(chǎn)生滑移，增強體-基體界面發(fā)生脫黏，形成不可逆的塑性應變。循環(huán)應力峰值越大，增強體中的黃麻纖維分子和基體中的聚乙烯大分子的伸長和滑移現(xiàn)象越明顯，增強體-基體界面脫黏現(xiàn)象也越明顯，表現(xiàn)出較大的塑性變形。在循環(huán)峰值應力恒定的條件下，隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，增強體中的黃麻纖維分子和基體中的聚乙烯大分子之間的滑移量逐漸減小，表現(xiàn)為試樣的累積殘余應變呈現(xiàn)先快后慢的增加趨勢并趨于穩(wěn)定。

(a)經(jīng)向

(b)緯向

2.2 循環(huán)荷載下試樣的能量耗散特性

如圖2所示，加載曲線下方區(qū)域的面積為循環(huán)載荷對試樣所做的總功，即試樣的總應變能；卸載曲線下方區(qū)域的面積為彈性應變能，表示循環(huán)荷載過程中循環(huán)荷載所做的功轉變?yōu)閮Υ嬗谠嚇又械哪芰浚渚哂锌赡嫘?；加載曲線與卸載曲線之間區(qū)域的面積為耗散能，它主要是循環(huán)荷載過程中產(chǎn)生的塑性應變及增強體-基體界面脫黏所消耗的能量。

假設試驗過程中，試樣與外界無熱交換，則試樣的總應變能、彈性應變能與耗散能之間的關系：

U=Ue+Ud

(2)

式中：U為總應變能，mJ/mm3；Ue為彈性應變能，mJ/mm3；Ud為耗散能，mJ/mm3。

為表征試樣在各次循環(huán)荷載過程中的能量耗散特性，定義能量耗散率u為耗散能與總應變能的比值：

u=Ud/U

(3)

從圖1和圖2可以看出，由于試樣中存在初始損傷及結構不穩(wěn)定因素，第一次循環(huán)荷載所對應的總應變能、彈性變形能和耗散能明顯較高，且滯后環(huán)的形態(tài)不規(guī)則，而從第二次循環(huán)荷載起，各次循環(huán)荷載過程中滯后環(huán)的形態(tài)趨于規(guī)則和穩(wěn)定。為更清晰地分析能量變化規(guī)律，分別繪制試樣經(jīng)第一次循環(huán)荷載后(循環(huán)荷載次數(shù)N≥2)的總應變能U、彈性應變能Ue及耗散能Ud與循環(huán)荷載次數(shù)的關系曲線(圖5)，以及試樣的能量耗散率與循環(huán)荷載次數(shù)的關系曲線(圖6)。

(a)總應變能

(b)彈性應變能

(c)耗散能

圖6 試樣的能量耗散率與循環(huán)荷載次數(shù)(N≥2)的關系曲線

從圖5和圖6可以看出，在循環(huán)荷載過程中，經(jīng)向、緯向試樣的總應變能、彈性變形能、耗散能及能量耗散率均隨著循環(huán)峰值應力增加而增加，均隨著循環(huán)荷載次數(shù)增加迅速減小并趨于穩(wěn)定。相對于經(jīng)向試樣，緯向試樣的總應變能、彈性變形能、耗散能及能量耗散率都較高；當循環(huán)應力峰值為12.35、18.52 N/mm2時，經(jīng)向、緯向試樣的能量耗散參數(shù)之間的差異明顯，而當循環(huán)應力峰值為6.17 N/mm2時，經(jīng)向、緯向試樣的能量耗散參數(shù)曲線幾乎重合，差異并不明顯。

3 結論

以組織結構為平紋的黃麻纖維織物為增強體，聚乙烯膜為基體，通過熱壓法制備黃麻纖維/聚乙烯復合材料，并對其在循環(huán)荷載下的殘余變形演化與能量耗散特性進行測試與分析。結果表明：

(1)循環(huán)荷載下經(jīng)向、緯向試樣的應力-應變曲線形狀高度相似，表明循環(huán)荷載過程中經(jīng)向、緯向試樣的殘余變形演化與能量耗散機理類似。

(2)在循環(huán)荷載過程中，隨著循環(huán)荷載過程的持續(xù)進行，經(jīng)向、緯向試樣的累積殘余應變呈現(xiàn)先快后慢的增加趨勢，而試樣在各次循環(huán)荷載過程中所產(chǎn)生的殘余應變呈現(xiàn)先快后慢的下降趨勢，并趨于0；相對于經(jīng)向試樣，緯向試樣的累積殘余應變較高；循環(huán)應力峰值越大，循環(huán)荷載次數(shù)相同時，經(jīng)向、緯向試樣的累積殘余應變之間的差異越明顯。

(3)試樣經(jīng)各次循環(huán)荷載所產(chǎn)生的總應變能、彈性應變能、耗散能與能量耗散率均呈現(xiàn)先迅速減小并趨于穩(wěn)定的變化趨勢；相對于經(jīng)向試樣，緯向試樣的總應變能、彈性應變能、耗散能與能量耗散率較大；循環(huán)應力峰值越大，循環(huán)荷載次數(shù)相同時，經(jīng)向、緯向試樣的總應變能、彈性應變能、耗散能與能量耗散率之間的差異越明顯。