不同循環(huán)加載路徑下黃麻織物/聚乙烯復(fù)合材料的變形特性

汪澤幸, 周衡書, 楊 敏, 譚冬宜

(湖南工程學(xué)院 紡織服裝學(xué)院, 湖南 湘潭 411104)

以麻纖維為代表的天然纖維增強熱塑性復(fù)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(yōu)點,在交通運輸和建筑等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

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

目前,眾多學(xué)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(jié)構(gòu)形式[7,12-13]、基體種類[7,14]、環(huán)境條件[9,15]等因素對麻纖維增強熱塑性復(fù)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(xué)行為特性。Haggui等[13]研究發(fā)現(xiàn),分別循環(huán)加載時,相對于正交疊層結(jié)構(gòu),亞麻紗線單向疊層結(jié)構(gòu)增強熱塑性復(fù)合材料的能量耗散較高,但循環(huán)加載模量的衰減相對較低?；谥鸺夁f增單次循環(huán)加載,Chilali等[15]探討了亞麻斜紋織物增強熱塑性復(fù)合材料的循環(huán)模量變化規(guī)律,Haggui等[13]亦對比分析了麻纖維熱塑性復(fù)合材料滯回環(huán)的特點。逐級遞增循環(huán)加載下,Aneta等[14]研究發(fā)現(xiàn),亞麻纖維增強熱塑性復(fù)合材料其各級疲勞應(yīng)變與耗散能均隨循環(huán)峰值應(yīng)力的增加而增加,隨循環(huán)次數(shù)的增加而快速增加并趨于穩(wěn)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(fù)合材料動態(tài)模量、能量耗散的影響規(guī)律進行了研究。此外,已有研究[17-19]亦基于分別循環(huán)加載和循環(huán)應(yīng)力松弛加載,探討了黃麻織物/聚乙烯復(fù)合材料的殘余變形規(guī)律與能量耗散特性。

但對麻纖維增強熱塑性復(fù)合材料力學(xué)性能研究,目前多采用分別循環(huán)加載和逐級遞增循環(huán)加載路徑,而對復(fù)雜加載路徑下的力學(xué)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(fù)合材料,并對其在不同循環(huán)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(fù)合材料的工程應(yīng)用與性能評估提供參考依據(jù)。

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(jīng)、緯紗的線密度均為242 tex,經(jīng)、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(fēng)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(fù)合材料,單層黃麻織物雙面鋪設(shè)厚度為0.56 mm的聚乙烯膜,180 ℃條件下預(yù)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(fù)合材料。復(fù)合材料成品厚度為1.43 mm,黃麻織物的質(zhì)量分數(shù)為23.38%,經(jīng)換算后,可得黃麻織物的體積分數(shù)為19.33%。

1.2 試樣制備與方法

機織物增強熱塑性復(fù)合材料為經(jīng)、緯向?qū)ΨQ的正交異性材料[18-19],經(jīng)、緯向試樣的變形機制一致,力學(xué)行為特性相似,基于此,本文僅對經(jīng)向試樣進行測試和分析。沿經(jīng)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(huán)加載的峰值應(yīng)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(shè)定循環(huán)峰值應(yīng)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(huán)加載時,分別以速率υ一次性加載至對應(yīng)的循環(huán)峰值應(yīng)力σmax,后以同等速率卸載至最小應(yīng)力σmin,并按此規(guī)律循環(huán)200次,即在同等循環(huán)峰值應(yīng)力條件下循環(huán)加載200次。

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

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

實驗均在環(huán)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(jié)果與分析

2.1 典型實驗結(jié)果

3種循環(huán)加載路徑下,代表性試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 不同循環(huán)加載路徑下應(yīng)力-應(yīng)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(huán)加載路徑下的首級(第1級),其本質(zhì)上為分別循環(huán)加載,雖因試樣間存在個體差異,但其循環(huán)加載曲線與同等循環(huán)峰值應(yīng)力σmax時的分別循環(huán)加載曲線幾近重合。相對于同等循環(huán)峰值應(yīng)力的分別循環(huán)加載,多級循環(huán)加載非首級(第2～4級)的循環(huán)加載曲線與之相似,但各級中第1次循環(huán)的加載起點存在差異;此外,由各次循環(huán)加載和卸載曲線構(gòu)成的滯回環(huán)也存在顯著差異。

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

圖2 代表性循環(huán)階段的應(yīng)力-應(yīng)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(huán)加載路徑下,非首級各次循環(huán)的加載起點和卸載終點均不重合,加載和卸載曲線構(gòu)成的滯回環(huán)不封閉;且隨循環(huán)加載的持續(xù)進行,各次循環(huán)的應(yīng)力應(yīng)變曲線趨于均勻致密并重合,整體上呈現(xiàn)先疏后密的變化形式,各次循環(huán)的加載起點和卸載終點均趨于接近,但不同循環(huán)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(huán)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(huán)的加載起點均為0位移點。試樣處于恒定循環(huán)峰值應(yīng)力的反復(fù)拉伸過程,高分子材料中大分子鏈均處于反復(fù)拉伸、回復(fù)過程,在拉伸階段,大分子鏈間將產(chǎn)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(tài)改變,基體開裂以及增強纖維與基體界面脫黏等現(xiàn)象;此外,卸載過程試樣回復(fù)時大分子鏈之間、纖維之間存在相互空間位阻作用,導(dǎo)致拉伸階段產(chǎn)生的變形不可完全回復(fù),從而產(chǎn)生不可逆的殘余變形,宏觀表現(xiàn)為卸載終點始終位于加載起點的右側(cè)(見圖2(a)),卸載終點應(yīng)變始終高于加載起點應(yīng)變。隨循環(huán)加載的持續(xù)進行,試樣可產(chǎn)生的不可逆變形量逐漸減少,宏觀表現(xiàn)為加載起點和卸載終點趨于接近,滯回環(huán)曲線趨于封閉,相鄰2次的循環(huán)加載曲線接近重合。

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

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

2.2 累積變形特性

圖3 不同循環(huán)加載路徑下的應(yīng)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(yīng)變與累積殘余應(yīng)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(huán)加載的首級,試樣的累積應(yīng)變曲線與同等循環(huán)峰值應(yīng)力的分別循環(huán)加載時基本重合。逐級遞增循環(huán)加載路徑下,試樣在各級時的累積應(yīng)變曲線相似,均表現(xiàn)為快速增加并逐漸穩(wěn)定;而逐級遞減循環(huán)加載路徑下,各非首級時試樣的累積應(yīng)變曲線形態(tài)與首級相反,表現(xiàn)出快速減少并逐漸穩(wěn)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(huán)加載路徑下各級累積加載應(yīng)變與累積殘余應(yīng)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(fā)現(xiàn),非首級且同等循環(huán)峰值應(yīng)力時,相對于分別循環(huán)加載,逐級遞增循環(huán)加載路徑下試樣表現(xiàn)出較高的累積應(yīng)變(見圖4),但各級累積應(yīng)變相對較低(見圖5)。究其原因,主要在于前級循環(huán)加載過程中,試樣已產(chǎn)生一定的殘余變形,導(dǎo)致后續(xù)各級循環(huán)加載時試樣可產(chǎn)生的殘余變形量減少所致。

2.3 各次循環(huán)變形特性與應(yīng)變回復(fù)系數(shù)

(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(huán)的加載應(yīng)變、彈性應(yīng)變及殘余應(yīng)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(huán)加載路徑下試樣的應(yīng)變回復(fù)系數(shù)曲線如圖7所示?？芍?試樣處于3種循環(huán)加載路徑下表現(xiàn)出的應(yīng)變回復(fù)系數(shù)變化規(guī)律存在差異,但均隨循環(huán)加載的持續(xù)進行而逐漸接近100%。

圖7 不同循環(huán)加載路徑下各級應(yīng)變回復(fù)系數(shù)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(jié) 論

本文以熱壓法制備的黃麻織物/聚乙烯復(fù)合材料為研究對象,對其在3種循環(huán)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(jié)論。

1)黃麻織物/聚乙烯復(fù)合材料的累積應(yīng)變規(guī)律不僅受循環(huán)峰值應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)的影響,同時還與循環(huán)加載路徑密切有關(guān)?？紤]循環(huán)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(jié)論。

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

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

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