竹原纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸破壞行為的表征和模擬.pdf

1、玻璃纖維、碳纖維等纖維復(fù)合材料的開發(fā)和利用推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展，但隨之而來的環(huán)境污染問題已經(jīng)引起了社會(huì)的高度關(guān)注。天然植物纖維作為一種新型纖維增強(qiáng)材料，其具有資源豐富、生產(chǎn)成本低廉、可生態(tài)降解、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，兼?zhèn)洵h(huán)境友好和生態(tài)優(yōu)勢，成為取代傳統(tǒng)合成纖維的新型材料產(chǎn)業(yè)，其復(fù)合材料的生產(chǎn)和應(yīng)用降低了塑料工業(yè)對經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的壓力。
　　本文首先對單向竹原纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行拉伸破壞實(shí)驗(yàn)，利用掃描電子顯微鏡測試方法(Scanning El

2、ectron Microscope。SEM)技術(shù)對復(fù)合材料拉伸斷裂橫、縱截面的微觀結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行觀察，建立這類復(fù)合材料的多重?fù)p傷細(xì)觀破壞力學(xué)模型，即纖維斷裂同時(shí)伴隨局部基體的拉伸破壞和纖維/基體界面劈裂。將每一根纖維斷裂及其伴隨的基體開裂和界面劈裂定義為一個(gè)損傷實(shí)體，建立的多重?fù)p傷模型反映了損傷模式間的相互耦合和競爭。基于剪切滯后模型和影響函數(shù)疊加的方法，發(fā)展了一套包括纖維和基體拉伸特性、界面剪切劈裂的多纖維斷裂誘導(dǎo)應(yīng)力與變形重分配的近似

3、應(yīng)力分析方法，為預(yù)測復(fù)合材料的漸進(jìn)破壞行為奠定了理論基礎(chǔ)。
　　其次，考慮到天然植物纖維長度以及纖維與纖維之間直徑的不同對其內(nèi)部缺陷分布乃至纖維強(qiáng)度的影響，對竹原纖維強(qiáng)度的分散性進(jìn)行了研究，即分別采用Weibull線性模型和指數(shù)模型探討了竹原纖維強(qiáng)度的分布特征。采用最大似然估計(jì)方法(Maximum Likelihood Estimation。MLE)和多數(shù)組集合方法(Multiple Data Set。MDS)對獲取的多組尺寸下的

4、纖維強(qiáng)度進(jìn)行擬合，得到所需的Weibull參數(shù)。將兩種模型下的強(qiáng)度預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)：由于直徑的不均勻性使得纖維強(qiáng)度呈現(xiàn)出較大的分散性；同線性模型相比，指數(shù)模型更適合于描述天然纖維的強(qiáng)度分布。
　　最后，將纖維拉伸強(qiáng)度看作一個(gè)隨機(jī)變量，通過采用Monte-Carlo方法模擬復(fù)合材料的拉伸破壞行為，包括：(1)獲取了纖維、基體等組分材料的損傷累積效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)纖維斷裂是此類復(fù)合材料的主要破壞方式；(2)除了纖維斷裂外，界面和

5、基體的損傷使得材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)呈現(xiàn)出非線性關(guān)系；(3)得到了復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，表明強(qiáng)度對復(fù)合材料尺寸具有敏感性；(4)隨著纖維體積百分含量的增加，纖維斷裂引起的局部應(yīng)力集中將會(huì)有效地傳遞給相鄰纖維，使得纖維承擔(dān)外載的能力增強(qiáng)，從而提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度；(5)隨著纖維強(qiáng)度分散性的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能將降低。通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬的對比，驗(yàn)證了這種多尺度方法對于表征和模擬天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸破壞行為的有效性。