紗羅網(wǎng)格織物鋪層位置對(duì)聚丙烯/黃麻復(fù)合材料彎曲性能影響及有限元模擬

李蘇文，吳華偉，王春紅，吳帥，劉勝凱，左祺，張昊，陳澄

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽(yáng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，浙江紹興 312000)

天然植物纖維因其具有環(huán)保、低成本、可再生、可降解、力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制備復(fù)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(jià)格低廉、資源可再生等特點(diǎn)，逐漸成為重要的研究對(duì)象[3-5]。聚丙烯纖維具有密度小、價(jià)廉、力學(xué)性能優(yōu)異、耐熱性良好、尺寸穩(wěn)定性好、可加工性強(qiáng)以及可回收等優(yōu)勢(shì)[6-7]。使用聚丙烯/黃麻等熱塑性纖維制備的復(fù)合材料具有密度低、性價(jià)比高、吸聲性能好、耐沖擊、可回收等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾結(jié)構(gòu)，促進(jìn)汽車輕量化發(fā)展[8-10]。

為了提高聚丙烯/黃麻復(fù)合材料的力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)黃麻纖維進(jìn)行改性以提高黃麻纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)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(lái)酸酐接枝聚丙烯，制備了改性黃麻纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，相較于未改性的聚丙烯/黃麻復(fù)合材料，彎曲強(qiáng)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(qiáng)聚丙烯復(fù)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(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別提高了41%和30.50%。黃麻纖維的化學(xué)改性雖能夠提高其性能，但卻給環(huán)境帶來(lái)了污染。已有研究發(fā)現(xiàn)，使用復(fù)合型增強(qiáng)結(jié)構(gòu)能夠提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。錢程[13]以機(jī)織物作為加強(qiáng)筋增強(qiáng)非織造復(fù)合材料，所得產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均得到提高，這是因?yàn)榉强椩觳寂c機(jī)織物中的經(jīng)、緯紗線產(chǎn)生纏結(jié)，從而使復(fù)合材料具有更好的力學(xué)性能。使用復(fù)合型增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在提高復(fù)合材料力學(xué)性能的同時(shí)，也減少了對(duì)環(huán)境的污染。

為了降低因一般織物結(jié)構(gòu)緊密所導(dǎo)致的樹脂浸潤(rùn)性差對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的不利影響，可選用網(wǎng)格織物作為第二增強(qiáng)相增強(qiáng)復(fù)合材料。目前使用較多的網(wǎng)格織物增強(qiáng)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(shí)會(huì)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(fù)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(jī)織物中紗線屈曲對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。且紗羅網(wǎng)格織物織造工藝簡(jiǎn)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(qiáng)相增強(qiáng)復(fù)合材料能夠明顯提升復(fù)合材料力學(xué)性能。

以紗羅網(wǎng)格織物作為復(fù)合材料的加強(qiáng)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(shí)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(xué)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(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響尚不清楚。

復(fù)合材料的彎曲性能是反映材料綜合性能的一個(gè)指標(biāo)。通過(guò)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(qiáng)聚丙烯/黃麻復(fù)合材料，對(duì)使用紗羅網(wǎng)格織物增強(qiáng)的聚丙烯/黃麻復(fù)合材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)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(duì)聚丙烯/黃麻復(fù)合材料彎曲性能的影響，并進(jìn)一步分析了不同鋪層位置的紗羅網(wǎng)格織物增強(qiáng)聚丙烯/黃麻復(fù)合材料彎曲失效機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

黃麻纖維：長(zhǎng)度為68～72 mm，直徑為100～350 μm，濉溪縣蘊(yùn)豐麻紡有限公司；

聚丙烯纖維：細(xì)度840 D，長(zhǎng)度64 mm，山東壽光永旭防水材料有限公司；

單股弱捻黃麻粗紗：680 tex，濱州惠民縣嘉琦繩網(wǎng)有限公司；

聚丙烯紗線：細(xì)度450 D，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(jī)：XFH型，青島市膠南針織機(jī)械廠；

小型羅拉梳理機(jī)：天津嘉誠(chéng)機(jī)電設(shè)備有限公司改造組裝；

花式捻線機(jī)：HN32-04型，蘇州市華飛紡織科技有限公司；

半自動(dòng)小樣織機(jī)：DWL150型，蘇州市華飛紡織科技有限公司；

塑料制品液壓機(jī)：Y/TD71-45 A型，天津市天鍛壓力機(jī)有限公司；

萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)：Ⅰnstron3369型，美國(guó)Ⅰnstron公司；

超景深三維顯微系統(tǒng)：Z16APOA型，德國(guó)徠卡微系統(tǒng)有限公司。

1.3 復(fù)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(jī)對(duì)黃麻纖維和聚丙烯纖維分別進(jìn)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(jī)將混合纖維進(jìn)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(dòng)小樣織機(jī)，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(shí)物圖如圖2所示。

圖2 紗羅網(wǎng)格織物實(shí)物圖

(2)紗羅網(wǎng)格織物增強(qiáng)聚丙烯/黃麻復(fù)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5 mm×5 mm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(jī)中進(jìn)行模壓加工。首先將溫度升至80℃(上下模同時(shí)到達(dá)指定溫度，下同)，壓力調(diào)至5 MPa，保壓60 min，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1 min，再加壓至5 MPa，保壓4 min，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(fù)合材料中的孔隙，保證其力學(xué)性能的優(yōu)越性；最后將壓力調(diào)至14 MPa，溫度階梯式調(diào)至185℃，保壓11 min[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(fù)合材料用來(lái)和帶有紗羅網(wǎng)格織物的復(fù)合材料進(jìn)行比較。鋪層設(shè)計(jì)如圖3所示。其中聚丙烯/黃麻復(fù)合材料鋪層數(shù)為8層，未加紗羅網(wǎng)格織物時(shí)，聚丙烯/黃麻復(fù)合材料板的厚度為2 mm，紗羅網(wǎng)格織物增強(qiáng)聚丙烯/黃麻復(fù)合材料板的厚度為2.5 mm。制備的紗羅網(wǎng)格織物增強(qiáng)聚丙烯/黃麻復(fù)合材料板如圖4所示。

圖3 紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置設(shè)計(jì)

圖4 紗羅網(wǎng)格織物增強(qiáng)聚丙烯/黃麻復(fù)合材料板

1.4 性能測(cè)試與表征

在萬(wàn)能強(qiáng)力機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)，如圖5所示。復(fù)合材料彎曲性能測(cè)試參照ASTM D790-2010。試樣長(zhǎng)度為60 mm、寬度為25 mm，加載速度為1 mm/min，彎曲試樣跨距為48 mm，試驗(yàn)過(guò)程實(shí)時(shí)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(yuǎn)。試驗(yàn)結(jié)束后，使用超景深三維顯微鏡對(duì)試樣斷面形貌進(jìn)行表征。

圖5 紗羅網(wǎng)格織物三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

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(zhǎng)軸長(zhǎng)1.4 mm，短軸長(zhǎng)0.6 mm。有限元模型如圖6所示。根據(jù)試樣尺寸60 mm×25 mm×2.5 mm建立聚丙烯/黃麻復(fù)合材料模型。建立底座部件(半徑為2 mm)以及加載頭部件(半徑為5 mm)，裝配結(jié)果如圖7所示。

圖6 紗羅網(wǎng)格織物有限元建模圖

圖7 有限元裝配模型

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試得到聚丙烯/黃麻非織造復(fù)合材料的拉伸彈性模量為4 160 MPa，泊松比為0.38，通過(guò)origin軟件計(jì)算出屈服應(yīng)力為33.11 MPa。紗羅網(wǎng)格織物的拉伸彈性模量為6 600 MPa，泊松比為0.35。

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(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖9為對(duì)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(fù)合材料的彎曲性能低于紗羅網(wǎng)格織物增強(qiáng)聚丙烯/黃麻復(fù)合材料的彎曲性能。當(dāng)紗羅網(wǎng)格織物鋪放在上層、中層、下層時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度依次為71.36，71.07，63.00 MPa，相比于未加紗羅網(wǎng)格織物的復(fù)合材料，分別提高了19.28%，18.79%，5.30%；彎曲彈性模量依次為6.33，6.03，5.70 GPa，相比于未加紗羅網(wǎng)格織物的復(fù)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(shí)，彎曲性能差異不明顯，但均大于鋪放在下層時(shí)復(fù)合材料的彎曲性能。不同鋪層位置的紗羅網(wǎng)格織物增強(qiáng)聚丙烯/黃麻復(fù)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(gè)上升階段：第一階段為快速上升階段，此時(shí)紗羅網(wǎng)格織物增強(qiáng)聚丙烯/黃麻復(fù)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(fù)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(zhǎng)階段，在達(dá)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(fù)合材料共同承擔(dān)，復(fù)合材料表現(xiàn)出漸進(jìn)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(fù)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(fù)合材料彎曲性能

紗羅網(wǎng)格織物鋪放不同位置時(shí)，復(fù)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(yàn)測(cè)試結(jié)果見表1。從表1可以看到，當(dāng)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(shí)，通過(guò)有限元軟件模擬的彎曲應(yīng)力值分別為68.16，69.12，65.06 MPa，與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為4.48%，2.74%和3.27%。另外，從圖10可以看到，試驗(yàn)測(cè)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(fù)合材料彎曲載荷-位移曲線(試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比)

表1 復(fù)合材料試驗(yàn)測(cè)試彎曲應(yīng)力值和有限元軟件模擬值的對(duì)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(shí)的復(fù)合材料彎曲斷面形貌。在彎曲載荷的加載下，復(fù)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(shí)出現(xiàn)不同程度的破損。當(dāng)紗羅網(wǎng)格織物鋪放在下層時(shí)，破損程度較鋪放在上層和中層時(shí)較大。圖11a為紗羅網(wǎng)格織物鋪放在上層時(shí)的復(fù)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(huì)產(chǎn)生損傷，裂紋向下擴(kuò)展，上表面表現(xiàn)出聚丙烯/黃麻復(fù)合材料的開裂，因聚丙烯/黃麻復(fù)合材料變形大于紗羅網(wǎng)格織物，導(dǎo)致紗羅網(wǎng)格織物與聚丙烯/黃麻復(fù)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(shí)的復(fù)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(fù)合材料的團(tuán)簇向上拱起，出現(xiàn)“鼓包”，受拉側(cè)表現(xiàn)出聚丙烯/黃麻復(fù)合材料的向下拱起且出現(xiàn)破損，因聚丙烯/黃麻復(fù)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(fù)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(shí)的復(fù)合材料斷面圖，由圖11c可以看出，聚丙烯/黃麻復(fù)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(dǎo)致聚丙烯/黃麻復(fù)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(fù)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(shí)，紗羅網(wǎng)格織物和聚丙烯/黃麻復(fù)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(qiáng)聚丙烯/黃麻復(fù)合材料的主要承力部件為紗羅網(wǎng)格織物，說(shuō)明紗羅網(wǎng)格織物能夠增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲性能。通過(guò)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(shí)，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(shí)，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(shí)由圖13觀察聚丙烯/黃麻復(fù)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(shí)，應(yīng)力集中面積大于鋪放在上層和中層的面積。所以當(dāng)紗羅網(wǎng)格織物鋪放上層和中間層時(shí)，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(shí)，其彎曲斷面破壞較鋪放在上層和中層時(shí)較大的原因。

圖12 紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置時(shí)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(shí)的聚丙烯/黃麻復(fù)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(shí)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(dāng)紗羅網(wǎng)格織物鋪放在復(fù)合材料下表面時(shí)，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(shí)紗羅網(wǎng)格織物壓應(yīng)力云圖。從圖14b可以看到，當(dāng)紗羅網(wǎng)格織物鋪放在復(fù)合材料上表面時(shí)，主要受壓應(yīng)力作用，所以當(dāng)紗羅網(wǎng)格織物鋪放在復(fù)合材料上表面時(shí)，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(shí)紗羅網(wǎng)格織物分應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

通過(guò)彎曲試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了紗羅網(wǎng)格織物鋪層位置對(duì)復(fù)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(shí)，相比于未帶有紗羅網(wǎng)格織物的聚丙烯/黃麻復(fù)合材料，帶有紗羅網(wǎng)格織物的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)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(shuō)明紗羅網(wǎng)格織物確有提高復(fù)合材料彎曲性能的效果。

(2)試驗(yàn)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(shí)，復(fù)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(qiáng)織物時(shí)，可將其鋪放在中上層，以提高復(fù)合材料的彎曲性能。

(3)對(duì)紗羅網(wǎng)格織物不同鋪層位置的復(fù)合材料的彎曲過(guò)程進(jìn)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(dāng)紗羅網(wǎng)格織物鋪在復(fù)合材料上表面時(shí)，主要受到壓力作用，而鋪在下表面時(shí)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(shí)，復(fù)合材料彎曲斷面呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。