反復(fù)應(yīng)力松弛下黃麻織物/聚乙烯復(fù)合材料的變形特性

汪澤幸，吳 波，李 帥，何 斌

（湖南工程學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，湘潭411104）

0 引言

作為一種來源極其廣泛、最具發(fā)展前景的生物質(zhì)材料，麻纖維具有高產(chǎn)、低密、易降解、力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，在諸如聚乙烯（Polyethylene，PE）、聚丙烯（Polypropylene，PP）、聚乳酸（Polylactic acid，PLA）、熱塑性淀粉（Thermoplastic Starch，TPS）等熱塑性塑料的增強(qiáng)改性方面應(yīng)用廣泛［1-3］.

為全面研究麻纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的力學(xué)行為，眾多學(xué)者就麻纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制備工藝對(duì)麻纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料拉伸［2，5-7］、抗沖擊［5-7］、彎曲［4-8］、蠕變［9-12］、應(yīng)力松弛［12］以及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能［9］的影響進(jìn)行了研究.此外，Berhanu［13］就液態(tài)環(huán)境介質(zhì)對(duì)麻纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的耐老化性能進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)［14］分析了循環(huán)加載下麻纖維/聚乙烯復(fù)合材料的變形特征與能量耗散特性.但少有學(xué)者對(duì)其在復(fù)雜受力條件下的行為特性進(jìn)行研究.

為進(jìn)一步研究復(fù)雜受力條件下麻纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的變形特性，本文以黃麻織物/聚乙烯復(fù)合材料為研究對(duì)象，分析循環(huán)加載條件下應(yīng)力松弛對(duì)材料變形特性的影響.

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

增強(qiáng)體為黃麻織物，組織結(jié)構(gòu)為平紋，經(jīng)、緯紗均為240 tex，經(jīng)、緯向紗線排列密度為（68×58）根/10 cm，單位面積質(zhì)量為315.6 g/m2.

熱壓制備黃麻/聚乙烯復(fù)合材料前，將黃麻織物在90 ℃條件下烘干2 h，以充分去除黃麻織物中的水分.采用自行搭建的熱壓設(shè)備制備熱塑性復(fù)合材料，單層黃麻織物雙面鋪設(shè)厚度為0.50 mm 的聚乙烯膜，160 ℃下預(yù)熱15 min，1 MPa 熱壓壓力條件下保壓15 min 后在保壓條件下自然冷卻，獲得黃麻織物/聚乙烯復(fù)合材料，實(shí)測成品厚度為1.60 mm.

沿黃麻織物經(jīng)緯向制備矩形試樣，試樣寬為25 mm，長為200 mm，有效夾持隔距為100 mm.

1.2 試驗(yàn)方法

在WDW-20C 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上自動(dòng)進(jìn)行加載-應(yīng)力松弛-卸載-應(yīng)力松弛循環(huán)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程為：以1 mm/min 加載速率加載至循環(huán)峰值應(yīng)力σmax并保持應(yīng)變trs，即應(yīng)力松弛trs，后以1 mm/min 的速率卸載至循環(huán)下限應(yīng)力σmin，并保持應(yīng)變trs，設(shè)定循環(huán)次數(shù)N 為30 次.為確保循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程中試樣處于拉伸狀態(tài)，各次循環(huán)的下限應(yīng)力σmin設(shè)定為0.8 N/mm2.由于經(jīng)緯向試樣在反復(fù)應(yīng)力松弛下的力學(xué)行為特性相似，故本文僅對(duì)經(jīng)向試樣進(jìn)行測試和分析.

所有實(shí)驗(yàn)均在環(huán)境溫度為（20±1）℃、相對(duì)濕度為（65±2）%的條件下進(jìn)行.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線特征

4 種應(yīng)力松弛時(shí)間和3 種循環(huán)應(yīng)力峰值下30 次循環(huán)松弛過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1 所示.從圖中可以看出，黃麻織物增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料為典型的非彈性材料.反復(fù)應(yīng)力松弛條件下各循環(huán)曲線的幾何形態(tài)高度相似，表明反復(fù)應(yīng)力松弛下材料的變形機(jī)理是一致的.

圖1 試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

如圖1 所示，同種實(shí)驗(yàn)條件下各循環(huán)曲線具有較好的相似性，第1 次和第2 次循環(huán)曲線之間存在明顯的差異性，所表現(xiàn)出的差異性隨循環(huán)峰值應(yīng)力提高和應(yīng)力松弛時(shí)間的增加而表現(xiàn)得更加明顯.同等實(shí)驗(yàn)條件下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，相鄰2 次的循環(huán)曲線之間的差異性逐漸減少，并呈現(xiàn)重合的趨勢.從而表明，循環(huán)曲線的形態(tài)由循環(huán)峰值應(yīng)力、應(yīng)力松弛時(shí)間和循環(huán)次數(shù)共同決定.

2.2 最大應(yīng)變量與最小應(yīng)變量

各循環(huán)加載至峰值應(yīng)力時(shí)的最大應(yīng)變?chǔ)舖ax以及卸載至下限應(yīng)力時(shí)的最小應(yīng)變?chǔ)舖in的獲取方法如圖2 所示.

圖2 最大應(yīng)變量與最小應(yīng)變量的確定方法

本文實(shí)驗(yàn)條件下，黃麻織物/聚乙烯復(fù)合材料各循環(huán)的最大應(yīng)變量以及最小應(yīng)變量曲線繪于圖3中.從圖3 中可以看出，隨循環(huán)次數(shù)的增加，各循環(huán)的最大應(yīng)變與最小應(yīng)變均呈現(xiàn)先快后慢的增加趨勢.同等實(shí)驗(yàn)條件下，隨應(yīng)力松弛時(shí)間的增加，各循環(huán)的最大應(yīng)變（N≥2 時(shí)）與最小應(yīng)變均隨之增加；隨循環(huán)峰值應(yīng)力的提高，各循環(huán)的最大應(yīng)變與最小應(yīng)變亦表現(xiàn)相似的變化趨勢.

圖3 最大應(yīng)變量與最小應(yīng)變曲線

2.3 各循環(huán)加載應(yīng)變與殘余應(yīng)變

循環(huán)峰值應(yīng)力為12.5 N/mm2，應(yīng)力松弛時(shí)間分別為0、100、300 與1800 s 時(shí)各循環(huán)的加載應(yīng)變與殘余應(yīng)變繪于圖4 中.應(yīng)力松弛時(shí)間為1800 s，循環(huán)峰值應(yīng)力分別為6.25、12.50 以及18.75 N/mm2時(shí)，各循環(huán)的加載應(yīng)變與殘余應(yīng)變繪于圖5 中.

圖4 表明，同等循環(huán)峰值應(yīng)力時(shí)，隨應(yīng)力松弛時(shí)間的增加，各循環(huán)的加載應(yīng)變（i ≥2 時(shí)）隨之減少，各循環(huán)的殘余應(yīng)變隨之增加，且均隨循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)先快后慢的減少趨勢.

圖4 不同應(yīng)力松弛時(shí)間的加載應(yīng)變與殘余應(yīng)變曲線圖

圖5 不同循環(huán)應(yīng)力峰值的加載應(yīng)變與殘余應(yīng)變曲線圖

從圖5 中可以看出，相同應(yīng)力松弛時(shí)間條件下，各循環(huán)的加載應(yīng)變與殘余應(yīng)變隨循環(huán)峰值應(yīng)力的增加而增加，亦均隨循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)先快后慢的減少趨勢.

1 個(gè)完整的反復(fù)應(yīng)力松弛循環(huán)，由加載、應(yīng)力松弛、卸載、應(yīng)力松弛4 個(gè)階段構(gòu)成.加載階段，在外加載荷作用下，增強(qiáng)黃麻纖維和基體聚乙烯中大分子鏈伸直、伸長并產(chǎn)生滑移.同時(shí)，在外加載荷作用下，黃麻織物中紗線屈曲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并產(chǎn)生伸長.同等循環(huán)峰值應(yīng)力條件下，因試樣中紗線力學(xué)性能存在非均勻特性以及試樣寬度之間存在差異，故在首個(gè)應(yīng)力松弛循環(huán)（i =1）中，當(dāng)試樣加載至設(shè)定載荷時(shí)，各試樣產(chǎn)生的變形（即第1 個(gè)循環(huán)的加載應(yīng)變）存在小幅度差異，但差異并不顯著.應(yīng)力松弛階段，試樣變形保持，在內(nèi)應(yīng)力作用下，增強(qiáng)黃麻纖維和基體聚乙烯大分子鏈之間繼續(xù)產(chǎn)生滑移并在新位置建立平衡，從而產(chǎn)生不可逆的殘余應(yīng)變；在此過程中，應(yīng)力松弛時(shí)間越長，即變形保持時(shí)間越長，增強(qiáng)黃麻纖維和基體聚乙烯大分子鏈之間的滑移程度越充分，產(chǎn)生的殘余應(yīng)變量增加，材料中大分子鏈彈性變形量減少，后續(xù)循環(huán)加載階段材料的變形主要為大分子鏈的彈性變形，從而宏觀表現(xiàn)為隨應(yīng)力松弛時(shí)間增加，殘余應(yīng)變?cè)黾?，而加載應(yīng)變減少（i ≥2）.

同等應(yīng)力松弛條件下，循環(huán)峰值應(yīng)力增加，材料在加載階段承受的外加載荷較高，增強(qiáng)黃麻織物中紗線屈曲結(jié)構(gòu)改變程度較高，增強(qiáng)黃麻纖維和具體聚乙烯中大分子鏈承受的張力亦較高，導(dǎo)致大分子鏈的伸長量和滑移程度較高，從而宏觀表現(xiàn)為加載應(yīng)變隨循環(huán)峰值應(yīng)力的增加而增加.因加載階段大分子鏈承受的張力較高，在后續(xù)應(yīng)力松弛階段，大分子鏈構(gòu)象可調(diào)整程度較高，大分子鏈之間滑移程度亦較高，從而宏觀表現(xiàn)為殘余應(yīng)變量較高.

隨著循環(huán)加載的進(jìn)行，增強(qiáng)黃麻纖維和基體聚乙烯大分子鏈中產(chǎn)生滑移的量逐漸減少，材料的變形主要源于大分子鏈的彈性變形，增強(qiáng)黃麻織物中紗線屈曲結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，從而宏觀表現(xiàn)為隨循環(huán)加載次數(shù)的增加，各循環(huán)的加載應(yīng)變與殘余應(yīng)變均呈現(xiàn)逐漸減少的變化趨勢.

2.4 相對(duì)殘余變形指數(shù)

為表征試樣在各循環(huán)的非彈性程度，特引入相對(duì)殘余變形指數(shù)β，其表征同一循環(huán)中殘余應(yīng)變相對(duì)于加載應(yīng)變的比重，其值越高，表明在此循環(huán)中殘余應(yīng)變的比重越高，非彈性程度越高.相對(duì)殘余變形指數(shù)β 可表示為：

式中，i 為循環(huán)次數(shù)，1≤i ≤30.

圖6 相對(duì)殘余變形指數(shù)

圖6 示出，同等循環(huán)加載次數(shù)下，隨應(yīng)力松弛時(shí)間的增加和循環(huán)峰值應(yīng)力的提高，黃麻織物/聚乙烯復(fù)合材料的相對(duì)殘余變形指數(shù)隨之增加，且均隨加載次數(shù)的增加而不斷減少，初始加載循環(huán)（i ≤5）時(shí)，相對(duì)殘余變形指數(shù)隨加載次數(shù)的變化最為明顯.

相對(duì)殘余變相指數(shù)產(chǎn)生如圖6 所示的變化趨勢，主要是由于隨應(yīng)力松弛時(shí)間的增加和循環(huán)峰值應(yīng)力的增加，增強(qiáng)黃麻纖維和基體聚乙烯中大分子鏈的滑移程度越充分，塑性變形比例越高，宏觀表現(xiàn)為相對(duì)殘余變形指數(shù)隨應(yīng)力松弛時(shí)間的增加和循環(huán)峰值應(yīng)力的提高而增加.此外，隨著反復(fù)應(yīng)力松弛的進(jìn)行，增強(qiáng)黃麻纖維和基體聚乙烯中大分子鏈的滑移量逐漸減少，試樣的變形主要為大分子鍵長和鍵角的變化，大分子鏈的伸長等彈性變形，從而宏觀表現(xiàn)為，隨循環(huán)加載次數(shù)的增加，材料的相對(duì)殘余變形指數(shù)呈現(xiàn)逐漸減少的變化趨勢.

3 結(jié)論

為研究復(fù)雜受力條件下，麻纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的變形特性，以熱壓法制備黃麻/聚乙烯復(fù)合材料為研究對(duì)象，對(duì)其循環(huán)應(yīng)力松弛下的變形進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）隨應(yīng)力松弛時(shí)間、循環(huán)峰值應(yīng)力的增加，最大應(yīng)變?cè)黾?，而最小?yīng)變則隨之減少；最大應(yīng)變與最小應(yīng)變均隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加.

（2）應(yīng)力松弛時(shí)間增加，各循環(huán)中的加載應(yīng)變降低，而殘余應(yīng)變?cè)黾?；循環(huán)峰值應(yīng)力增加，各循環(huán)的加載應(yīng)變與殘余應(yīng)變均增加；各循環(huán)的加載應(yīng)變與殘余應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)增加而減少.

（3）黃麻織物/聚乙烯復(fù)合材料的相對(duì)殘余變形指數(shù)，隨應(yīng)力松弛時(shí)間和循環(huán)峰值應(yīng)力的增加而增加，隨循環(huán)次數(shù)增加而減少.