多軸向經(jīng)編聚酯織物增強(qiáng)膜材力學(xué)性能研究.pdf

1、膜材料是一種新穎的柔性復(fù)合材料。由于它具有低模量、柔軟、高彈性、高拉伸強(qiáng)度、質(zhì)量輕、設(shè)計(jì)靈活、造型獨(dú)特等特點(diǎn)，因此被廣泛的應(yīng)用于各種受力結(jié)構(gòu)中，尤其在建筑、運(yùn)輸、防災(zāi)減災(zāi)、戶(hù)外廣告、文體設(shè)施等領(lǐng)域越來(lái)越受到人們重視。
　　膜結(jié)構(gòu)材料種類(lèi)繁多，常見(jiàn)的膜結(jié)構(gòu)材料是以聚酯和玻璃纖維平紋織物作為增強(qiáng)材料，這種織物只有兩向增強(qiáng)，這嚴(yán)重限制了膜材料的應(yīng)用領(lǐng)域。而多軸向經(jīng)編織物，具有多軸增強(qiáng)的特點(diǎn)，趨于各向同性，有利于形成復(fù)雜造型，與平紋織物等

2、傳統(tǒng)增強(qiáng)體相比優(yōu)勢(shì)明顯。在膜材料加工工藝方面，常見(jiàn)的涂覆膜加工工藝復(fù)雜，成本高，而流延法相比之下具有工藝簡(jiǎn)單、加工效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。另外，在膜材正常使用過(guò)程中經(jīng)常受到各個(gè)方向的載荷作用，因此制備多軸向經(jīng)編聚酯織物為增強(qiáng)體的流延涂層聚氨酯或聚乙烯膜結(jié)構(gòu)材料，并研究其各向增強(qiáng)的力學(xué)特點(diǎn)具有重要的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)意義。
　　基于以上原因，本文制備了以多軸向經(jīng)編聚酯織物為增強(qiáng)體的流延涂層聚氨酯及聚乙烯膜結(jié)構(gòu)材料，詳細(xì)介紹

3、了上述膜材料的制備方法，并對(duì)兩種膜材料在小應(yīng)變、大應(yīng)變、往復(fù)拉伸及大載荷蠕變等條件下的各向異性力學(xué)行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。同時(shí)，本文還利用微觀(guān)代表性體積法和非線(xiàn)性粘彈塑本構(gòu)關(guān)系對(duì)膜材料的各向異性力學(xué)行為進(jìn)行了理論模擬，模擬效果良好。本文具體的研究?jī)?nèi)容概述如下：
　?。?）對(duì)聚酯纖維多軸向經(jīng)編織物膜結(jié)構(gòu)材料的制備工藝進(jìn)行了介紹。詳細(xì)闡述了在利巴Copentra Multi-Axial型多軸向經(jīng)編機(jī)上，使用滌綸高強(qiáng)工業(yè)絲和滌綸縫

4、合紗開(kāi)發(fā)四軸向經(jīng)編針織物的過(guò)程。具體內(nèi)容包括織造設(shè)備、原料選擇、織造工藝、上機(jī)調(diào)試工藝、織物參數(shù)。織造工藝中包括整經(jīng)工藝、鋪層工藝和編織工藝。然后對(duì)編織成品進(jìn)行了拉伸性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示該織物具有良好的力學(xué)性能，適合于作為柔性復(fù)合材料的增強(qiáng)體。最后還對(duì)流延工藝的設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝流程和工藝參數(shù)等進(jìn)行了介紹。
　　（2）研究了將多軸向經(jīng)編滌綸織物作為增強(qiáng)體，聚氨酯和聚乙烯作為基體的膜結(jié)構(gòu)材料彈性行為特征。從微觀(guān)角度，利用代表性單元體積

5、法，建立了一個(gè)微觀(guān)代表性體積單元（RVE），通過(guò)測(cè)量幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到每束增強(qiáng)紗及縫合紗的體積分?jǐn)?shù)。再利用橋接矩陣，建立基體與纖維增強(qiáng)體之間的聯(lián)系。通過(guò)假設(shè)RVE中的各種微觀(guān)組件是各向同性材料，得到其柔度矩陣。隨后利用 MATLAB科學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算出宏觀(guān)材料的理論柔度矩陣，從而得到該材料的理論工程常數(shù)，即理論彈性模量。預(yù)測(cè)了膜材在彈性階段0°、22.5°、45°、67.5°和90°方向的彈性模量，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者

6、具有較好的一致性。
　?。?）研究了小應(yīng)變情況下，多軸向聚氨酯膜結(jié)構(gòu)材料的各向異性力學(xué)行為。首先選取了聚氨酯膜結(jié)構(gòu)材料0°、22.5°、45°、67.5°和90°五個(gè)方向試樣，對(duì)其進(jìn)行了單軸拉伸測(cè)試，分析其彈性階段的變形特征。然后利用雙折線(xiàn)法計(jì)算出22.5°、45°、67.5°和90°的彈性模量，通過(guò)直接擬合得到0°初始模量。利用XTDIC三維數(shù)字散斑全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)（DIC），獲得試樣不同區(qū)域的泊松比。最后通過(guò)彈性材料正交各向異

7、性模型發(fā)現(xiàn)，小應(yīng)變下多軸向聚氨酯膜結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)行為符合正交各向異性本構(gòu)關(guān)系。
　　（4）研究多軸向聚乙烯膜結(jié)構(gòu)材料三個(gè)彈性階段的各向異性力學(xué)行為。制備了0°、22.5°、45°、67.5°和90°五個(gè)方向的多軸向聚乙烯膜結(jié)構(gòu)材料試樣，通過(guò)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，根據(jù)三段法得到不同階段的拉伸模量，并利用DIC系統(tǒng)獲得三階段對(duì)應(yīng)的泊松比。接著，利用改進(jìn)的彈性材料正交各向異性本構(gòu)關(guān)系預(yù)測(cè)了22.5°及67.5°試樣的分段模量及泊松比，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)

8、得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。另外，通過(guò)往復(fù)拉伸實(shí)驗(yàn)，分析了循環(huán)加載對(duì)試樣荷載-伸長(zhǎng)率曲線(xiàn)以及對(duì)膜材失效應(yīng)力和彈性模量的影響。結(jié)果表明：三個(gè)階段的彈性行為都不符合正交各向異性行為特征，進(jìn)而根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出各向整體彈性模量的經(jīng)驗(yàn)方程。除0°方向試樣外，其余角度試樣往復(fù)拉伸后失效應(yīng)力及模量均獲得提升，每個(gè)角度試樣的拉伸曲線(xiàn)的非線(xiàn)性都沒(méi)有明顯優(yōu)化。
　?。?）研究了溫度20℃多軸向聚乙烯膜結(jié)構(gòu)材料在恒定應(yīng)力條件下的蠕變變形行為。通過(guò)單軸定速拉

9、伸實(shí)驗(yàn)得到該材料在不同角度下的失效應(yīng)力和表觀(guān)模量，即彈性變形特點(diǎn)。在纖維方向以3種應(yīng)力水平，非纖維方向2種應(yīng)力水平，進(jìn)行7小時(shí)的蠕變實(shí)驗(yàn)和7小時(shí)的蠕變回復(fù)實(shí)驗(yàn)，研究該材料的粘彈性形變特征。然后根據(jù)不同時(shí)間蠕變、回復(fù)實(shí)驗(yàn)以及不同應(yīng)力水平下的蠕變實(shí)驗(yàn)，得到粘彈性和粘塑性應(yīng)變與時(shí)間和應(yīng)力的關(guān)系，提出相關(guān)本構(gòu)方程，預(yù)測(cè)不同角度試樣在不同應(yīng)力水平下的蠕變行為。結(jié)果顯示，該本構(gòu)方程曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，因此該方程可以用來(lái)研究和預(yù)測(cè)多軸向膜材的蠕變行

10、為。
　　綜上所述，雖然聚酯纖維模量低，柔軟，易變形，但是通過(guò)改進(jìn)工藝方法，可以織造出滿(mǎn)足要求的多軸向經(jīng)編織物。由于基體和增強(qiáng)體的模量接近，基體對(duì)多軸向膜結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能有重要影響。多軸向膜結(jié)構(gòu)材料的彈性拉伸行為具有明顯的非線(xiàn)性特征，有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即纖維束平行排列增強(qiáng)點(diǎn)和捆綁紗斷裂屈服點(diǎn)；分成三個(gè)階段，第一段主要是基體的剪切變形，第二段主要是增強(qiáng)紗、捆綁紗和基體三者共同承載，第三段捆綁紗失效，只剩增強(qiáng)紗和基體兩者一起承載。其中，

11、第二階段的彈性模量可以用微觀(guān)代表性體積單元模型來(lái)計(jì)算。多軸向聚氨酯膜結(jié)構(gòu)材料的初始階段可以認(rèn)為是正交各向異性的。但是，由于模量和泊松比的計(jì)算方法不同，多軸向聚乙烯膜結(jié)構(gòu)材料的三個(gè)階段都不符合正交各向異性特征。多軸向膜結(jié)構(gòu)材料經(jīng)過(guò)循環(huán)加載，可以提高失效強(qiáng)度，但是對(duì)拉伸曲線(xiàn)的非線(xiàn)性沒(méi)有改善。斜交紗線(xiàn)雖然沒(méi)有貫通試樣，但是對(duì)材料變形特征和失效方式都有復(fù)雜的影響。多軸向膜結(jié)構(gòu)材料的彈性變形是其最主要的變形形式，但是隨著時(shí)間的作用也伴隨有粘彈性和