循环荷载下黄麻纤维/聚乙烯复合材料的残余变形演化与能量耗散特性*

1.湖南工程学院纺织服装学院，湖南 湘潭 411104；2.湖南省新型纤维面料及加工工程技术研究中心，湖南 益阳 413000；3.东华大学纺织学院，上海 201620

麻纤维的来源广泛，具有低密度、高结晶度和高比强度，是天然纤维中强度最高、伸长率最小的一种生物质材料，被认为是复合材料中替代玻璃纤维的理想材料之一[1-2]。以麻纤维为增强材料所制备的热塑性复合材料，具有成本低、能耗低、成形时间短、可重复加工、抗冲击韧性与耐疲劳性能良好，以及破损后安全性高等优点[3]。

目前，众多学者就增强体与基体种类、增强体结构形式及制备工艺对麻纤维增强热塑性复合材料的力学性能[4-8], [9]47-54, [10]21-24+29-35、耐老化性能[11-12]、热稳定性[10]24-25+36-39、耐热氧化性能[13]、吸湿性能[9]56-57, [14]及生物可降解性能[15-17]进行了较为全面的研究，而对此类材料的长期力学性能(如蠕变、应力松弛)，特别是循环荷载下的力学性能与能量耗散特性的研究较少。

基于此，考虑到黄麻纤维易得、价廉的优势，本文以黄麻纤维织物为增强体，以聚乙烯(PE)膜为基体，通过热压法制备黄麻纤维/聚乙烯复合材料，并对其在循环荷载下的拉伸力学性能进行测试，对其变形特性与能量耗散特性进行分析。

1 试验

1.1 复合材料制备

以商购的组织结构为平纹的黄麻纤维织物为增强体，通过实测得到其经纬向纱线的线密度均为290 tex，经纬向纱线的排列密度分别为77、71根/(10 cm)，面密度为437.5 g/m2。

采用自行搭建的热压设备制备复合材料。在单层黄麻纤维织物的两面均铺设厚度为0.50 mm的PE膜，在热压温度为160 ℃、热压压力为1 MPa的条件下保压15 min，然后自然冷却，得到黄麻纤维/聚乙烯复合材料，通过实测得到其厚度为1.62 mm。

1.2 力学性能测试

采用WDW-20C微机控制电子万能试验机(上海华龙测试仪器股份有限公司)测试黄麻纤维/聚乙烯复合材料的拉伸断裂强力和拉伸断裂伸长率及其在循环荷载下的拉伸力学性能。参考GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》标准制备试样，试样宽度为(25.00±1.00)mm，有效夹持隔距为(100.00±1.00)mm。

1.2.1 拉伸试验

以10 mm/min的加载速率将试样拉伸至断裂，获得其经纬向的拉伸断裂强度，为后续循环荷载试验中循环荷载峰值的选用提供参考依据。有效试样数为5。实测试样的经向、纬向拉伸断裂强度分别为35.40、30.78 N/mm2。

1.2.2 循环荷载试验

以10 mm/min的加载速率进行自动加载和卸载，设定循环荷载峰值分别为250、500、750 N，对应的循环应力峰值σmax分别约为6.17、12.35、18.52 N/mm2，分别为试样经向拉伸断裂强度的17.44%、34.87%、52.31%，纬向拉伸断裂强度的20.05%、40.11%、60.16%，设定循环荷载次数(N)为200。为确保试验过程中试样始终处于张拉状态，设定卸载时下限荷载为10 N，对应的下限应力σmin约为0.25 N/mm2。有效试样数为3。

以上试验均在环境温度为(20±1)℃、相对湿度为(65±2)%的条件下进行。

2 结果与分析

2.1 循环荷载下试样的变形特性

依据试验结果，绘制循环应力峰值为12.35 N/mm2时经向、纬向试样的循环荷载应力-应变曲线，如图1所示。

图1 试样的循环荷载应力-应变曲线(σmax=12.35 N/mm2)

由图1可见，第一次循环荷载所对应的试样的弹性模量(即循环荷载应力-应变曲线初始段的斜率)较小，随着循环荷载次数的增加，试样的弹性模量逐渐增大。分析其主要原因：

加载前，试样中存在一定的微孔隙和裂纹等损伤；加载后，增强体中的黄麻纤维分子与基体中的聚乙烯大分子之间的相对位置发生变化而产生滑移，黄麻纤维织物的几何结构也发生变化，加上增强体-基体界面产生脱黏等，导致第一次循环荷载过程中试样的弹性模量较低，显得较“软”。随着循环荷载过程的继续，增强体中的黄麻纤维分子与基体中的聚乙烯大分子之间的相对滑移量小，黄麻纤维织物的几何结构变化和增强体-基体界面的脱黏现象减少，试样变形主要由增强体中的黄麻纤维分子与基体中的聚乙烯大分子链的伸长造成，试样的弹性模量有所提高。

由图1还可看出，经向、纬向试样的循环荷载应力-应变曲线形状高度类似，表明循环荷载过程中经向、纬向试样的变形机理类似。

以循环应力峰值为12.35 N/mm2的经向试样为例，通过对其前3次的循环荷载应力-应变曲线(图2)做进一步分析发现，每次循环荷载过程中，试样的加载曲线与卸载曲线、加载起点与卸载终点并不重合，构成不封闭的滞回环。随着循环荷载次数的增加，加载起点与卸载终点呈逐渐向右偏移的变化趋势，表明每次循环荷载过程中均产生了不可逆的塑性变形，但新增加的塑性变形的量存在差异。

图2 经向试样前3次的循环荷载应力-应变曲线(σmax=12.35 N/mm2)

如图2所示，在循环荷载过程中，卸载终点即循环荷载达到下限应力σmin时所对应的应变为εmin，其为当前循环荷载及之前的循环荷载所产生的试样的残余应变的累积，而各次循环荷载所产生的试样的残余应变εp：

(1)

本试验中，下限应力σmin(约0.25 N/mm2)约为所选用的循环应力峰值σmax的最小值(6.17 N/mm2)的4.00%，约为循环应力峰值σmax的最大值(18.52 N/mm2)的1.33%。下限应力σmin相对于循环应力峰值σmax较小，认为εmin是当前循环荷载及之前的循环荷载所产生的塑性应变的累积，而各次循环荷载所产生的残余应变也可认为是塑性应变。

循环应力峰值为6.17、12.35、18.52 N/mm2时，经向、纬向试样经200次循环荷载过程所产生的累积残余应变与循环荷载次数的关系曲线如图3所示。

图3 试样的累积残余应变与循环荷载次数的关系曲线

从图3可以看出，随着循环应力峰值的提高，试样的累积残余应变呈逐渐增加的变化趋势。在循环峰值应力和循环荷载次数相同的条件下，相对于经向试样，纬向试样的累积残余应变较大，且循环应力峰值越大，经向、纬向试样的累积残余应变之间的差异越明显。

通过分析经向、纬向试样在各次循环荷载过程中产生的残余应变(图4)可以发现，随着循环荷载过程的进行，经向、纬向试样经各次循环荷载所产生的残余应变均呈逐渐减小的变化趋势，且前3次循环荷载过程所产生的残余应变的变化较为明显。

从图4还可以看出，在相同的循环荷载次数下，随着循环应力峰值提高，经向、纬向试样经各次循环荷载所产生的残余应变增加。在循环荷载作用下，增强体中的黄麻纤维分子和基体中的聚乙烯大分子伸长并产生滑移，增强体-基体界面发生脱黏，形成不可逆的塑性应变。循环应力峰值越大，增强体中的黄麻纤维分子和基体中的聚乙烯大分子的伸长和滑移现象越明显，增强体-基体界面脱黏现象也越明显，表现出较大的塑性变形。在循环峰值应力恒定的条件下，随着循环荷载次数的增加，增强体中的黄麻纤维分子和基体中的聚乙烯大分子之间的滑移量逐渐减小，表现为试样的累积残余应变呈现先快后慢的增加趋势并趋于稳定。

(a)经向

(b)纬向

2.2 循环荷载下试样的能量耗散特性

如图2所示，加载曲线下方区域的面积为循环载荷对试样所做的总功，即试样的总应变能；卸载曲线下方区域的面积为弹性应变能，表示循环荷载过程中循环荷载所做的功转变为储存于试样中的能量，其具有可逆性；加载曲线与卸载曲线之间区域的面积为耗散能，它主要是循环荷载过程中产生的塑性应变及增强体-基体界面脱黏所消耗的能量。

假设试验过程中，试样与外界无热交换，则试样的总应变能、弹性应变能与耗散能之间的关系：

U=Ue+Ud

(2)

式中：U为总应变能，mJ/mm3；Ue为弹性应变能，mJ/mm3；Ud为耗散能，mJ/mm3。

为表征试样在各次循环荷载过程中的能量耗散特性，定义能量耗散率u为耗散能与总应变能的比值：

u=Ud/U

(3)

从图1和图2可以看出，由于试样中存在初始损伤及结构不稳定因素，第一次循环荷载所对应的总应变能、弹性变形能和耗散能明显较高，且滞后环的形态不规则，而从第二次循环荷载起，各次循环荷载过程中滞后环的形态趋于规则和稳定。为更清晰地分析能量变化规律，分别绘制试样经第一次循环荷载后(循环荷载次数N≥2)的总应变能U、弹性应变能Ue及耗散能Ud与循环荷载次数的关系曲线(图5)，以及试样的能量耗散率与循环荷载次数的关系曲线(图6)。

(a)总应变能

(b)弹性应变能

(c)耗散能

图6 试样的能量耗散率与循环荷载次数(N≥2)的关系曲线

从图5和图6可以看出，在循环荷载过程中，经向、纬向试样的总应变能、弹性变形能、耗散能及能量耗散率均随着循环峰值应力增加而增加，均随着循环荷载次数增加迅速减小并趋于稳定。相对于经向试样，纬向试样的总应变能、弹性变形能、耗散能及能量耗散率都较高；当循环应力峰值为12.35、18.52 N/mm2时，经向、纬向试样的能量耗散参数之间的差异明显，而当循环应力峰值为6.17 N/mm2时，经向、纬向试样的能量耗散参数曲线几乎重合，差异并不明显。

3 结论

以组织结构为平纹的黄麻纤维织物为增强体，聚乙烯膜为基体，通过热压法制备黄麻纤维/聚乙烯复合材料，并对其在循环荷载下的残余变形演化与能量耗散特性进行测试与分析。结果表明：

(1)循环荷载下经向、纬向试样的应力-应变曲线形状高度相似，表明循环荷载过程中经向、纬向试样的残余变形演化与能量耗散机理类似。

(2)在循环荷载过程中，随着循环荷载过程的持续进行，经向、纬向试样的累积残余应变呈现先快后慢的增加趋势，而试样在各次循环荷载过程中所产生的残余应变呈现先快后慢的下降趋势，并趋于0；相对于经向试样，纬向试样的累积残余应变较高；循环应力峰值越大，循环荷载次数相同时，经向、纬向试样的累积残余应变之间的差异越明显。

(3)试样经各次循环荷载所产生的总应变能、弹性应变能、耗散能与能量耗散率均呈现先迅速减小并趋于稳定的变化趋势；相对于经向试样，纬向试样的总应变能、弹性应变能、耗散能与能量耗散率较大；循环应力峰值越大，循环荷载次数相同时，经向、纬向试样的总应变能、弹性应变能、耗散能与能量耗散率之间的差异越明显。