不同循環加載路徑下黃麻織物/聚乙烯復合材料的變形特性

汪澤幸, 周衡書, 楊 敏, 譚冬宜

(湖南工程學院 紡織服裝學院, 湖南 湘潭 411104)

以麻纖維為代表的天然纖維增強熱塑性復合材料,具有密度小、耐沖擊性能好、吸音與隔熱性能好、可回收利用、價格低廉等諸多優點,在交通運輸和建筑等領域具有廣闊的應用前景[1]。

為獲得性能優良的麻纖維增強熱塑性復合材料,并為其工程應用提供參考依據,目前,麻纖維及其與異種纖維混雜增強熱塑性復合材料的制備及其力學性能已有較為全面的研究[2-6],但在工程設計和應用時,該類纖維增強熱塑性復合材料使用依然受限,部分原因是其長期使用性能不穩定,同時,其循環荷載下的力學性能及破壞機制等也缺乏深入且全面的研究。

目前,眾多學者圍繞增強纖維的種類與含量[7-9]、纖維表面處理工藝[7,10]、異種纖維混雜[11]、增強結構形式[7,12-13]、基體種類[7,14]、環境條件[9,15]等因素對麻纖維增強熱塑性復合材料的疲勞強度與壽命、疲勞后殘余強度及疲勞破壞機制等進行了較為深入的研究,并探討了其在不同加載路徑下的力學行為特性。Haggui等[13]研究發現,分別循環加載時,相對于正交疊層結構,亞麻紗線單向疊層結構增強熱塑性復合材料的能量耗散較高,但循環加載模量的衰減相對較低。基于逐級遞增單次循環加載,Chilali等[15]探討了亞麻斜紋織物增強熱塑性復合材料的循環模量變化規律,Haggui等[13]亦對比分析了麻纖維熱塑性復合材料滯回環的特點。逐級遞增循環加載下,Aneta等[14]研究發現,亞麻纖維增強熱塑性復合材料其各級疲勞應變與耗散能均隨循環峰值應力的增加而增加,隨循環次數的增加而快速增加并趨于穩定;同時,Gassan[16]就纖維表面處理對亞麻斜紋織物增強熱塑性復合材料動態模量、能量耗散的影響規律進行了研究。此外,已有研究[17-19]亦基于分別循環加載和循環應力松弛加載,探討了黃麻織物/聚乙烯復合材料的殘余變形規律與能量耗散特性。

但對麻纖維增強熱塑性復合材料力學性能研究,目前多采用分別循環加載和逐級遞增循環加載路徑,而對復雜加載路徑下的力學行為特性,特別是變形特性方面的研究較少。基于此,本文基于熱壓法制備黃麻織物/聚乙烯復合材料,并對其在不同循環加載路徑下的變形特性進行研究,分析其變形機制,以期為該類熱塑性復合材料的工程應用與性能評估提供參考依據。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

以商購黃麻機織平紋織物為增強織物,實測經、緯紗的線密度均為242 tex,經、緯向紗線排列密度分別為68、58根/(10 cm),面密度為323.6 g/m2。

采用YG747型通風式快速八籃烘箱將黃麻織物在90 ℃條件下烘2 h,去除黃麻織物中的水分。采用SY-6210-B-30型PLC程序控制壓片機制備熱塑性復合材料,單層黃麻織物雙面鋪設厚度為0.56 mm的聚乙烯膜,180 ℃條件下預熱10 min,在180 ℃、1.0 MPa壓力條件下熱壓5 min,保持自然冷卻5 min,獲得黃麻織物/聚乙烯復合材料。復合材料成品厚度為1.43 mm,黃麻織物的質量分數為23.38%,經換算后,可得黃麻織物的體積分數為19.33%。

1.2 試樣制備與方法

機織物增強熱塑性復合材料為經、緯向對稱的正交異性材料[18-19],經、緯向試樣的變形機制一致,力學行為特性相似,基于此,本文僅對經向試樣進行測試和分析。沿經向制備矩形試樣,試樣寬度為(30±0.5)mm,長度為250 mm,有效夾持隔距為(150±0.5)mm。

為合理確定各級循環加載的峰值應力,以2 mm/min的加載速率對試樣的拉伸斷裂強度進行測試,實測5個有效試樣的拉伸斷裂強度,得到平均值為25.46 N/mm2。以此設定循環峰值應力σmax分別為4.66、9.32、13.98和18.65 N/mm2,分別為試樣拉伸斷裂強度的18.30、36.61、54.91和73.25%。

分別循環加載時,分別以速率υ一次性加載至對應的循環峰值應力σmax,后以同等速率卸載至最小應力σmin,并按此規律循環200次,即在同等循環峰值應力條件下循環加載200次。

多級循環加載時,以速率υ對試樣進行逐級循環加載,各級循環次數N亦均設定為200次;按循環峰值應力σmax的變化路徑,分為逐級遞增和逐級遞減循環加載2種路徑。逐級遞增循環加載路徑下,循環峰值應力σmax施加序列為4.66、9.32、13.98、18.65 N/mm2,即循環峰值應力σmax按等差序列遞增;逐級遞減循環加載路徑時,循環峰值應力σmax施加序列為18.65、13.98、9.32、4.66 N/mm2,即循環峰值應力σmax按等差序列遞減。

為減少循環加載過程中因加、卸載速率過高而使實際循環峰值應力和最小應力產生的明顯“過載”現象,加載與卸載速率υ均設定為2 mm/min。同時,為確保循環加載過程中試樣始終處于張拉狀態,循環應力最小值σmin均設定為0.23 N/mm2,約為材料拉伸斷裂強度的0.92%。

實驗均在環境溫度為(22±3)℃、相對濕度為(65±5)%的條件下,在WDW-20C型微機控制電子萬能實驗機上進行。有效試樣為3個,取代表性試樣的實測曲線為研究和分析對象。

2 結果與分析

2.1 典型實驗結果

3種循環加載路徑下,代表性試樣的應力-應變曲線如圖1所示。

圖1 不同循環加載路徑下應力-應變曲線Fig. 1 Curves of stress vs. stain under different cyclic loading paths. (a)Constant-amplitude cyclic loading; (b) Stepwise increasing cyclic loading; (c) Stepwise decreasing cyclic loading

由圖1可知,多級(逐級遞增和逐級遞減)循環加載路徑下的首級(第1級),其本質上為分別循環加載,雖因試樣間存在個體差異,但其循環加載曲線與同等循環峰值應力σmax時的分別循環加載曲線幾近重合。相對于同等循環峰值應力的分別循環加載,多級循環加載非首級(第2～4級)的循環加載曲線與之相似,但各級中第1次循環的加載起點存在差異;此外,由各次循環加載和卸載曲線構成的滯回環也存在顯著差異。

為深入分析循環加載路徑對非首級循環加載曲線形態及各次循環加載起點和卸載終點的影響,以循環峰值應力σmax為13.98 N/mm2時的循環加載曲線為分析對象(見圖2),進行進一步研究。分析發現,3種循環加載路徑下,非首級且同等循環峰值應力(σmax=13.98 N/mm2)時,不同于分別循環加載各級加載始于0位移點;多級循環加載時各非首級加載始于非0位移點。

圖2 代表性循環階段的應力-應變曲線(σmax=13.98 N/mm2)Fig. 2 Curves of stress vs. strain under typical cyclic loading stage (σmax=13.98 N/mm2).(a)Constant-amplitude cyclic loading; (b) Stepwise increasing cyclic loading; (c) Stepwise decreasing cyclic loading

圖2還表明,3種循環加載路徑下,非首級各次循環的加載起點和卸載終點均不重合,加載和卸載曲線構成的滯回環不封閉;且隨循環加載的持續進行,各次循環的應力應變曲線趨于均勻致密并重合,整體上呈現先疏后密的變化形式,各次循環的加載起點和卸載終點均趨于接近,但不同循環加載路徑下加載起點和卸載終點接近方式存在差異。

分別循環加載路徑下,因試樣均從0位移點開始加載,故而其各級第1次循環的加載起點均為0位移點。試樣處于恒定循環峰值應力的反復拉伸過程,高分子材料中大分子鏈均處于反復拉伸、回復過程,在拉伸階段,大分子鏈間將產生不可逆的滑移,并同時伴隨纖維斷裂、紗線中纖維間相對位置變化、增強織物幾何形態改變,基體開裂以及增強纖維與基體界面脫黏等現象;此外,卸載過程試樣回復時大分子鏈之間、纖維之間存在相互空間位阻作用,導致拉伸階段產生的變形不可完全回復,從而產生不可逆的殘余變形,宏觀表現為卸載終點始終位于加載起點的右側(見圖2(a)),卸載終點應變始終高于加載起點應變。隨循環加載的持續進行,試樣可產生的不可逆變形量逐漸減少,宏觀表現為加載起點和卸載終點趨于接近,滯回環曲線趨于封閉,相鄰2次的循環加載曲線接近重合。

逐級遞增循環加載路徑下,材料在各級受力歷史與分別循環加載時類似,變形機制一致,各級循環加載曲線特征與對應循環峰值應力分別循環加載時的曲線高度相似。但第i(i≥2)級時其力學行為受前級(第i-1級)加載歷史的影響,試樣在第i-1級產生的累積殘余變形基礎上再次循環加載,故而第i(i≥2)級的起點應變并不為0(見圖2(b))。

值得注意的是,分別循環加載和逐級遞增循環加載路徑下,試樣在各級均處于逐漸伸長狀態,與短纖維增強熱塑性復合材料相似[20],均表現出循環軟化特性。逐級遞減循環加載路徑下,試樣在首級加載過程中亦表現出逐漸伸長的變化趨勢,即亦表現出循環軟化特性;但在后續各級加載階段,試樣處于逐漸回復狀態,表現出循環硬化特性。

2.2 累積變形特性

圖3 不同循環加載路徑下的應變時間曲線Fig. 3 Curves of strain-time under different cyclic loading paths.(a)Constant-amplitude cyclic loading; (b) Stepwise increasing cyclic loading; (c) Stepwise decreasing cyclic loading

圖4 累積加載應變與累積殘余應變曲線Fig. 4 Curves of accumulative loading strain (a) and accumulative residual strain (b) with loading cycles

由圖4可知,多級(逐級遞增與逐級遞減)循環加載的首級,試樣的累積應變曲線與同等循環峰值應力的分別循環加載時基本重合。逐級遞增循環加載路徑下,試樣在各級時的累積應變曲線相似,均表現為快速增加并逐漸穩定;而逐級遞減循環加載路徑下,各非首級時試樣的累積應變曲線形態與首級相反,表現出快速減少并逐漸穩定的變化趨勢。

(1)

(1≤i≤4,1≤j≤200)

(2)

(1≤i≤4,1≤j≤200)

圖5 不同循環加載路徑下各級累積加載應變與累積殘余應變曲線Fig. 5 Curves of accumulative loading strain and accumulative residual strain under different cyclic loading paths. (a)Constant-amplitude cyclic loading; (b) Stepwise increasing cyclic loading; (c) Stepwise decreasing cyclic loading

進一步分析發現,非首級且同等循環峰值應力時,相對于分別循環加載,逐級遞增循環加載路徑下試樣表現出較高的累積應變(見圖4),但各級累積應變相對較低(見圖5)。究其原因,主要在于前級循環加載過程中,試樣已產生一定的殘余變形,導致后續各級循環加載時試樣可產生的殘余變形量減少所致。

2.3 各次循環變形特性與應變回復系數

(3)

(4)

(5)

(1≤i≤4, 1≤j≤200)

(6)

(7)

(8)

(2≤i≤4,1≤j≤200)

圖6 各級各次循環的加載應變、彈性應變及殘余應變曲線Fig. 6 Curves of loading strain, elastic strain and residual strain under different cyclic loading paths. (a)Constant-amplitude cyclic loading; (d) Stepwise increasing cyclic loading; (c) Stepwise decreasing cyclic loading

(9)

(1≤i≤4,1≤i≤200)

(10)

(1≤i≤4,1≤i≤200)

不同循環加載路徑下試樣的應變回復系數曲線如圖7所示。可知,試樣處于3種循環加載路徑下表現出的應變回復系數變化規律存在差異,但均隨循環加載的持續進行而逐漸接近100%。

圖7 不同循環加載路徑下各級應變回復系數曲線Fig. 7 Strain recovery coefficient curves of each stage under different cyclic loading models. (a)Constant-amplitude cyclic loading; (b) Stepwise increasing cyclic loading; (c) Stepwise decreasing cyclic loading

3 結 論

本文以熱壓法制備的黃麻織物/聚乙烯復合材料為研究對象,對其在3種循環加載路徑下的變形行為特性進行了測試和分析,得出以下主要結論。

1)黃麻織物/聚乙烯復合材料的累積應變規律不僅受循環峰值應力大小和循環次數的影響,同時還與循環加載路徑密切有關。考慮循環加載路徑對材料變形特性的影響,可更好地反映其在實際使用條件下的長期性能,進而獲得更具實際意義的結論。

2)分別循環加載和逐級遞增循環加載路徑下,黃麻織物/聚乙烯復合材料在各級加載階段均表現出循環硬化特征,但處于逐級遞減循環加載路徑下時,在首級亦表現出循環硬化特性,但在后續各級卻表現出持續的循環軟化特征。

3)相對于分別循環加載,逐級遞增循環循環加載路徑對黃麻織物/聚乙烯復合材料累積應變量、各次循環應變量以及應變回復系數的影響顯著,但不改變其變化規律;而逐級遞減循環加載路徑,將同時影響材料在非首級的累積應變量、各次循環的應變量及應變回復系數,并改變其變化規律。

本文僅考慮黃麻織物/聚乙烯復合材料在不同循環加載路徑下的變形行為特征,若全面研究該類材料在復雜受力歷史下的力學行為特性,需就不同循環加載速率、隨機循環峰值應力下的變形以及能量耗散等特性開展深入研究。