[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】复合材料黄麻环氧层合树脂纤维取向的对拉伸性能的影响-中文翻译

复合材料黄麻环氧层合树脂纤维取向的对拉伸性能的影响 M. R. Hossain1,2,* , M. A. Islam1, A. V. Vuurea2, and I. Verpoest2 材料与冶金工程，孟加拉科技工程技术大学 , 达卡 -1000, 孟加拉国 冶金与材料工程学院，鲁汶大学， Arenberg 的总线 2450， 44， 3001 赫维，比利时 接收在 2012 年 5 月 4 日，最后修订时在 2012 年 10 月 25。 摘要 黄麻，孟加拉国的骄傲，与那些人工人造纤维如玻璃，芳纶等，其优越特定属性在复合材料领域获得很大的关注。在这个研究中，对黄麻复合材料制成的真空辅助树脂浸润（ VARI）技术进行了调查。黄麻纤维预成型件堆叠的序列（ 0/0/0/0）， 0/45/ -45/ 0 和 0/90/ 90/ 0。对于所有的情况下，总共有25%出多黄麻纤维的体积分数成立。开发复合材料，其特征在于通过拉伸试验和实验结果由此得到与理论值进行比较。经过拉伸试验，断裂表面被切断，高分辨率 FEG SEM 下观察。在的情况下 0/0/0/0 和 0/45/ -45/0 薄层的复合材料，已被发现具有较高的纵向拉伸强度比横向方向。然而，对于 0/90/ 90/0 椎板复合材料，拉伸强度在两个方向上彼此是非常接近的。对于所有开发的复合材料，实验结果表明，开发的复合材料的拉伸性能强烈地依赖于黄麻纤维的拉伸强度，拉伸性能的影响黄麻纤维是非常敏感的缺陷。最后，复合材料一个具有争论的的拉伸表现显示在电子显微镜下观察的断口形貌。 关键词：黄麻层压 ; UD；接口 ; VARI。 2013 JSR。 ISSN： 2070-0237（打印） 2070-0245（在线）。保留所有权利。 DOI： J.科学 /10.3329/jsr.v5i1.10519。 住宅 5（ 1）， 43-54（ 2013）。 1 介绍 黄麻在孟加拉国越来越多的部门已经在复合材料领域占据了一席之地，相当十年前。在许多复合应用，其成本低，在织领域的多功能性、环保性和适度机械性能难以匹敌一些人工纤维，如应用玻璃、凯夫拉等。然而，生物降解性和黄麻环保行为只是中断的亲水性，这反过来又影响了复合材料的力学性能以及黄麻纤维增强复合材料 1， 2的应用。 虽然其拉伸实力是非常敏感的缺陷和跨度，黄麻跟天然纤维一样具有良好的特定的机械性能。其中影响黄麻纤维的拉伸强度一个最敏感的缺陷是其管腔或中空空间。目前流明可以作为在 BWB 黄麻纤维在复合材料中的缺陷的来源，并启动失败。这些对拉伸强度的影响的严重程度取决于几何形状和体积 小部分的管腔。在同一时间，管腔或可用的体积分数管腔的临界尺寸和形状也取决于黄麻纤维的跨度尺寸。作为一个因此，拉伸性能得到他们的平均值通常是纠正 3-6。黄麻纤维束有很多的纠缠。因此，它是非常困难的，以单向（ UD）预制件黄麻纤维徒手手动干燥条件下 7。在另一方面，梳理干燥或潮湿的条件下，在纤维中引入了更多的缺陷。在同一时间，黄麻纤维变得逐渐变薄 8。出于这个原因，黄麻织物的编织 通常是优选的。然而，在这种情况下，各向异性的性质也可能到达 8， 9。由于自然的扭曲和黄麻天然纤维一样的纠缠，他们都塞满了亚麻籽油。这些毛绒黄麻纤维梳理机，纱线特殊类型的前的无纺布的制备8。但是，亲水性的性质，黄麻油的存在干涉。此外，油的存在提供了非常逊色热塑性和热固性聚合物的强化过程中的接口。因此，额外的清洗和干燥步骤变得非常必要复合前的准备 10， 11。其结果是， UD 黄麻预型体或粗纱制备已成为一个非常有用的步骤，获得时下重视。 要实现多向各向同性的行为，不同角上适当的纤维取向是必要的，而这只能通过乘法层叠体的制备12来实现。 UD 堆叠在不同的角度给出了复合材料各向异性的物理和力学性能 13。不过，多样的复合材料的优越和适度优越的机械性能，在体积分数上，具有高达 50的增强纤维可以通过传统程序完成，像天然纤维这样的黄麻的压缩成型和手糊成型 14。 材料预浸 ，树脂传递模塑（ RTM），真空辅助树脂渗透（ VARI， RTM 类似，渗透压力上有区别）来制作热固性聚合物基复合材料 14， 15。虽然，这些工序在人工纤维增强复合材料方面过时了十年，但它的多功能性，仍然吸引了天然纤维复合材料的研究人员利用这些技术 16。因此， UD 黄麻纤维的粗加工成品技术和和恰当的复合材料制备技术的结合比起制作连续的热固黄麻预浸料坯或者完成产品的各种应用要重要的多 2 实验 。 2.1. 材料与方法 在这项研究工作中，沤，水洗，晒干的孟加拉白色 B 级（ BWB）黄麻采自孟加拉国黄麻研究所（ BJRI）。在一堆采集来的黄麻中，进行单黄麻纤维的分离和拉伸试验。该从单一黄麻纤维拉伸试验得到的强度值是不相同的，从纤维到的纤维。因此，分散带很宽。为了避免这个问题，许多研究者在此字段中纠正一些数学关系式 6的实验值。在这项研究工作，他们在获得单纤维拉伸测试结果后，又对结果进行了纠正。为了 黄麻纤维增强复合材料的制造， 4 层大小 400mmX400mm 的黄麻纤维束层叠体型坯分别堆在以下尺寸 序列 0/0/0/0， 0/45/ -45/ 0 和 0/90/ 90/ 0，如图所示。有必要指出这里用到的黄麻纤维被水浸湿做的预成型体。之后以复合材料制造在 60下干燥整夜。 图 1。 BWB 黄麻预成型体的层顺序的 a） 0/0/0/0； b） 0/45/ -45/0 和 c） 0/90/ 90/ 0。 在复合加工之前，环氧树脂（埃皮科特 828Lvel，双酚 A 和 epichlorehydrin）和二氨基环己烷固化剂混合在一起。黄麻 VARI 技术制作黄麻环氧基复合材料，如图所示。 a b Cc 图 2。在黄麻环氧树脂复合材料制造工艺签 VARI 设置和树脂 a） VARI 设置和 b）树脂（由箭头表示）前面。 但是应当指出的是， VARI 对于复合材料制造是一个很好的技术。在这项研究工作中，预制棒放在真空袋内并保持固定在模具表面。然后真空式用来出去室内空气以及空气中夹杂的自由水分。为了加速形成真空，预成型体加热至 40并持续半个多小时。树脂在真空下渗透。渗透一完成，真空包装袋的两侧夹紧并且温度以每分 5 - 10速率升至 135。在此温度下，复合物完全固化。在该技术中，体积分数占 25的 BWB 黄麻纤维复合材料有不同的纤维取向。 图 3。堆叠顺序和黄麻环氧树脂复合材料的拉伸载荷方向（ ASTM D3039） ;） 0/0/0/0，二） 0/45/ -45/0和 c） 0/90/ 90/0。拉伸试样制备按照 ASTM D3039 标准（尺寸标本：长 250mm，厚度为 40.5 毫米，宽 151.5mm 的量具长度 100mm）。标本切成小齿台锯和整理完成了 1200 级砂纸并储存在烘箱中过夜，在 50C 前测试。图 3 示出了装载方向的拉伸试样。所有的拉伸试验，进行与帮助英斯特朗万能试验机（型号 4467），细胞附着在 30kN 的负载和引伸计长度 50mm。提及的是，所有的拉伸试验执行上面的横头速度为 0.85mm/min。对于所有的情况下，至少 5 个标本测试。拉伸试验后，复合材料的断裂表面被切断，他们观察在一个非常高的分辨率 FEG（场发射枪） SEM 模型 PHILIPS XL30FEG。 3。结果与讨论 BWB 黄麻纤维环氧树脂复合材料的拉伸试验，在计算机中进行控制（的英斯特朗数据采集软件）万能试验机。应力应变因此，在拉伸试验过程中产生的曲线表示在图 4 中。 图 4。典型的应力应变曲线）纵向和 b）横向 BWB黄麻环氧树脂复合材料 ;向。表 1示出的纵向拉伸试验结果的总结。一个常见的说法是失败的强度和应变在主体装载方向（ 0）有一个下降趋势，增加叶片角度。达的拉伸性能在横向方向上的复合材料示于表 2。常见的说法从表 2中，在横向方向上的强度值有增加的 趋势的增加黄麻纤维角度。 表 1中。积层板纵向拉伸行为。 表 2中。横向拉伸行为的层压板。 UD和 0-90复合材料的力学性能的 UD和 0-90复合材料在深入讨论之前，我们必须知道 BWB黄麻纤维和环氧树脂基体分开，示于拉伸性能的影响 表 3中。 EPIKOTE828 LVEL环氧树脂的和 BWB黄麻纤维的平均拉伸性能的影响。 黄麻纤维的强度取决于纤维的结构，它的缺陷密度，在抱怨压力和拉力测试过程中的延误和应变率。其结果是，黄麻纤维示出了广泛分布带像其他天然纤维的抗拉强度。为了取得最大可能的拉伸强度的纤维，平均拉伸强度值的值首先绘制各种纤维跨度。从这个情节，最大可能的拉伸强度值通过外推法得到在 Y轴。因此，在测试过程中，得到的范围内的刚度值的为 BWB黄麻纤维。但是，对于一个单一材料的刚度值应该是一个独特的价值，而不是一个范围。为了黄麻纤维的刚度值，以消除缺陷和其他因素的影响，这些随后的修正程序开发等 5， 6。在复合材料的情况下，混合两种或多种材料的不同的属性在一起，以得到所需的性能，这通常是不同的构成材料。对于复合材料力学性能的测定，混合法则为研究人员提供了非常有用的想法。其中一个重要的数学关系对于这下面给出： V V 1 stands for stress (1) 其中下标 c， f和 m分别代表的复合材料，纤维和基体、 V是体积级分。按照混合法则计算 UD复合材料的复合强度 272.47兆帕 25体积百分比 BWB黄麻增强环氧树脂。但实验值是 112.69兆帕，这是只有 41的理论值。此类型的纤维加强效率低，也提到了 17。该复合材料的拉伸强度的降低值的原因是存在的各种浓度和几何形状的基体和纤维的缺陷。图 5示类型的缺陷 BWB黄麻纤维的研究过程中，观察在工作。 图 5。 SEM照片显示使用在 BWB黄麻纤维的缺陷 ;一）横向缺陷和 b） xsectional缺陷。图 6。拉伸强度变化跨度相对 BWB黄麻。 图 6代表满量程的长度为一个函数的 BWB黄麻纤维的强度。从这个数字，是非常清楚的是，黄麻纤维的拉伸强度随增加在跨距长度。 defoirdt等。 6也观察到了这种类型的效果的情况下不同的天然纤维。从这个图中，另一个观察是，为每个分散跨度比较高的跨距长度相比较低的跨距长度。在图 6，强度值的范围绘制每个跨度长。从这个趋势线（也可从图 6中给出的趋势方程），很明显的平均强度为 5mm的跨度为800MPa左右，但外推的最大值为 844.72（当跨度尺寸是非常小的，即接近于零）。 在这里，重要的是要提到，这是很困难的，在许多情况下，不可能开发工程产品无缺陷，具有较高的可能性在大跨度的试验片的比例或尺寸较大的缺陷也很高。此外，它是黄麻纤维的表面状态也很明显，并不总是相同的。其结果是，相容和密合性黄麻纤维与基体发生变化，这也有助于降低开发的复合材料的拉伸强度类似的纵向拉伸强度，在横向方向上的拉伸强度也低于理论值。从表 2中，很明显的是，在横向方向的拉伸强度显着低于长度方向的。 这背后的原因是，黄麻纤维内部的纤维基体界面和缺陷大多是占主导地位的复合材料的拉伸强度。在这种类型的复合材料中，尤其是不均匀的纤维含量，缺乏矩阵 /纤维之间的粘接接口，空洞，黄麻纤维的固有缺陷，严重降低拉伸强度的复合材料 18， 19。这些缺陷主要的制造过程中产生过程中，大多是围绕纤维基体界面累计 20， 21。其结果是合并的降解效果，实验复合材料在横向方向上的拉伸强度显着低于纵向方向。所以，在任何方向上的最大纤维强度效率并未实现 22， 23。 也可以是在纵向方向上的拉伸强度值越高解释其断口形貌。对于 0/0椎板复合材料，不同的两个步骤断口形貌已被观察到。起初，剥离在矩阵 /光纤接口发生。矩阵打破，因为其相对较低的拉伸强度。在 最后，黄麻纤维具有较高的抗拉强度值被打破。这现象，如图所示。 7。由于黄麻纤维具有高的拉伸强度，所以复合材料表现出较高的拉伸强度在纵向方向上。 图 7。纵向荷载作用下的综合故障。 在横向方向上的情况下， 0/0椎板黄麻纤维复合材料的拉伸破坏纤维切片（由于图 8a）和剥离（表示由箭头图 8b），在纤维基体界面已被发现是占主导地位的断裂模式，图。 8。在这里，一个显着比例的承载部分是由弱的纤维 /基体覆盖接口。其结果是，为 0/0黄麻纤维复合材料的片材，大幅减少在拉伸强度进行了观察。拉伸破坏的步骤的概要，是示意性地示出在图 9。 图 8。纤维与基体横向拉伸负荷下失败的）切片和纤维 B）剥离 图 9。 BWB的黄麻环氧复合材料的连续失败事件的示意图。 3.2。 0/+45/ -45/0，复合材料的力学性能的影响在 0/+45/-45/ 0的复合材料的情况下，纵向拉伸强度劣于 UD复合材料。这背后的原因是，在 UD较高的强度黄麻纤维和环氧树脂基体的弱控制的拉伸强度。但是，在的情况下 0 /+45/-45/ 0光纤矩阵接口主要是占主导地位的综合实力，在这些接口缺陷浓度较高。其结果是，为 0 /+45/-45/ 0复合，拉伸强度是穷人在纵向方向。另一方面，横向强度的 0 /+45/ -45/ 0的复合材料，显示 比 UD复合材料的较高的值。这背后的原因是，在大部分 UD上面的纤维基体的界面缺陷。但是，在的情况下， 0 /+45/ -45/ 0的复合 45/-45层作为一个在 45和 -45的方向的阻力源。其结果是，对于 0/+45/ -45/ 0复合材料，横向拉伸强度为稍高于在 UD横向方向。 52纤维取向的影响 对于层压板，简单的混合法则不适用。情况下， 0 /+45/-45/ 0复合材料，内层有两个（分别为 45和 -45），其中内部在压力下不同层的行为。他们的反应也是不同的和复杂的。在为了在复合材料中的增强纤维，以避免复杂的行为纤维的物理形态而言，实验结果已经说明和复合材料的断裂面。 图 10。 0/+45/ -45/ 0复合材料层合板的断裂表面）纤维碎片和 b）股份唇波状表面。 图 10表示典型的 0 /+45/ -45/ 0复合材料的断裂面。由此图中，很明显，失败主要是由纤维矩阵和矩阵 - 矩阵剪切基体和纤维的失败，和纤维基体界面失败。光纤矩阵接口故障指示的剪切唇形波浪断裂面（用三角形表示） 24。一些纤维在 45的方向（由箭头标记）中也观察到的拔出。既然有纤维基质剪切，使纤维碎片也观察断裂面（由方表示）。图图 10还表示矩阵的一个大岛（用圆圈表示），这表明纤维基质的分布是不均匀的。这种非均匀光纤矩阵分布还负责为黄麻环氧树脂复合材料的拉伸性能较低。周围纤维基质故障指示的球晶型的存在下压缩强制如图。 11A（用圆圈表示）。这受压区更脆比周围的基质。当施加拉伸应力受压区显示矩阵的倾向周围纤维开裂（黑色箭头表示由图 11A）。该存在压缩力也证实了裂纹区周围纤维，（由在图的矩形。 11b）的。此外，一些脆性光纤故障也观察到三角形图表示。 11C。 图 11。裂缝横向拉伸下黄麻环氧复合加载）球状的失败， B）裂纹和三）光纤衰竭。 4.结论。 在这项研究工作中，黄麻纤维增强环氧树脂基复合材料的开发真空辅助树脂渗透（ VARI）技术与预制堆叠序列（ 0/0/0/0）， 0/45/ -45/ 0和 0/90/ 90/0。这些复合材料的特点是拉伸测试观察断裂面高分辨率 FEGSEM下。由此研究工作，得出如下结论 - 一。在的情况下 0/0/0/0和 0/45/ -45/ 0椎板复合材料，纵向拉伸强度已被发现高于横向方向。 然而，对于 0/90/ 90/ 0椎板复合材料，在拉伸的方向的差异实力，没有观察到。 二。对于所有发达国家的复合材料，实验结果显示，发达国家的复合材料的拉伸性能强烈地依赖于材料的拉伸强度的纤维，黄麻纤维的拉伸性能的影响是非常大的缺陷敏感。 三。关于复合材料的拉伸性能，所得到的理论值从规则的混合物偏离实验值，而这偏差是在横向方向上的情况下更加显着。 四。压缩骨折的模式是由于球状型外观和裂缝黄麻纤维周围。对于 UD黄麻环氧树脂复合故障的序列，基体开裂，矩阵裂纹光纤矩阵接口，部分纤维断裂，纤维切片撤出矩阵。但是，在横向方向上，它是由纤维构成的切片和形成的纤维碎片 鸣谢 作者真诚感谢比利时鲁汶大学材料科学与工程冶金系赫维的支持。 参考文献 1。 A. Vazqueza D.采用 Plackett，天然高分子来源（ Woodhead公司出版有限公司及 CRC 出版社有限责任公司， 2004年）第一章。 7，第 123 - 125页。 2。 X. Y.刘和 G C.傣族，快速聚合物 LETT。 1（ 5）， 299（ 2007）。 3。 JY宇， ZP霞，郑 LD， LF刘和 WM王，合成材料： A部分 40， 54（ 2009）。 4。 L. Y. Mwaikambo，生物资源 4（ 2）， 566（ 2009）。 5。 J.安德森， E. Porik的“， E.Sparnin，复合材料的科学。技术 69， 2152（ 2009）。 /10.1016/pscitech.2009.05.010 6。 LQ玉山 S.比斯瓦斯 N. Defoirdt，德乐 Vriese，陈德良， J.范阿克尔，问：阿赫桑， L. Gorbatikh的， A.凡 Vuure，一 Verpoest，合成材料： A部分 41， 588（ 2010）。 7。 SP米什拉纤维科学与技术，一本教科书（新时代国际（ P） 有限公司，出版社， 2005），第一章。 6，第 94 - 99 8。 A. MP安塞尔 SJ伊奇霍恩 CA贝利， N. Zafeiropoulos， LY Mwaikambo，杜方， KM恩特威斯尔， PJ埃雷拉佛朗哥， GC埃斯卡米利亚， L.新郎， M.休斯，三山，甘油三酯（ TG） 里亚尔和 P. M.野， J.母校。 SCI收录。 36， 2107（ 2001）。 /10.1023/A:1017512029696 9。 K. Oksman， AP马修，的 R.Lngstrm， B.奈斯特龙约瑟夫，复合材料科学。技术 69， 1847（ 2009）。 /10.1016/pscitech.2009.03.020 10。威廉姆斯博士， NE Zafeiropoulos，贝利，以及佛罗里达州马修斯，合成材料： A部分 33， 1083（ 2002）。 /10.1016/S1359-835X（ 02） 00082-9 111。加利福尼亚州 NE Zafeiropoulos，贝利和 JM金森，合成材料： A部分 33， 1185（ 2002）。 /10.1016/S1359-835X（ 02） 00088-X 12。 F.科拉莱斯， F. Vilaseca， M. LLOP， J. GIRONES， JA门德斯， P. Mutje， J.危险。母校。 144， 730（ 2007）。 /10.1016/j.jhazmat.2007.01.103 13。 P. D.索登和 M. J.韩丁，复合材料科学。技术 58， 1001（ 1998）。 /10.1016/S0266-3538（ 98） 00074-8 14。 S.木桐， D. Teissandier， P.塞巴斯蒂安和 JP纳多，合成材料： A部分 41， 125（ 2010）。 /10.1016/posi