植物纤维增强复合材料在低速冲击下的损伤机理与几何尺寸效应研究

Manufacturing low cost and high-performance composites by renewable plant fiber is the developmental trend in the future. However, the damage mechanisms of plant fibres are still unclear due to their characteristics such as great varieties, complicated structure, non-continued fibres, etc. For this reason, this project intends to start the research from the microstructures of plant fibre, and to combine experimental and mathematical model two methods together. In order to reveal the damage mechanisms of the plant fibre reinforced composites following a low velocity impact test, the relationship between plant fibre microstructures and the impact response of the composites will be investigated by microscope observation and micro-mechanical model establishment. Then, the geometrical effects in the impact response of plant fibre reinforced composites will be investigated by experiments. A predication model of predicating damage size and energy absorption of large size samples by testing small size samples will be set up. The objectives of this project are understanding the damage mechanisms of plant fibre reinforced composites under low velocity impact tests, and finding the relationship between plant fibre microstructure damage and energy absorption capacity of the composite. Finally, laying the theorematical and technical foundations for the application of plant fibre reinforced composites.

以自然界容易再生的植物纤维来制备各类具有优良性价比的复合材料是未来的发展趋势。然而，植物纤维种类繁多、结构复杂、不连续性等特点使植物纤维在低速冲击下的损伤机理到目前为止仍不甚了解。为此本课题拟从植物纤维的微观结构入手，采用实验与数值计算两种手段，借助显微镜对其微观结构进行分，建立微观力学模型，研究植物纤维微观结构与其复合材料抗冲击性能的关系，从而揭示植物纤维增强复合材料在低速冲击下的损伤机理。在了解上述损伤机理的基础上，制备高性能的植物纤维增强复合材料层合板，并通过实验方法研究几何尺寸效应对于植物纤维复合材料层合板低速冲击作用下动态响应和损伤的影响。建立通过小尺寸试样实验预测大尺寸试样在低速冲击下的损伤尺寸与能量吸收的预测模型。本项目旨在揭示植物纤维增强复合材料在低速冲击下的损伤机理，建立植物纤维微观损伤与其复合材料能量吸收的关系，为植物纤维增强复合材料的应用奠定理论和技术基础。

本研究从植物纤维独特的微观结构出发，提取了有效的植物纤维微观结构参数并研究了其特有的空腔结构对植物纤维及其复合材料力学性能的影响。采用实验与数值模拟相结合的方法分析了植物纤维增强复合材料在低速冲击响应下的损伤机理。另外，以植物纤维独特的微观结构为基础建立了有效的力学模型，并通过该模型计算出植物纤维垂直于纤维长度方向的模量，以及不同植物纤维空腔吸收能量的能力。研究了由于植物纤维不连续需要打捻来制备连续纤维纱线，其中纱线密度对植物纤维增强复合材料低速冲击性能的影响以及损伤机理。通过实验的方法研究了几何尺寸效应对于植物纤维增强复合材料层压板低速冲击响应的影响，发现在产生弹性变形以及产生较小裂纹的情况下大尺寸层压板的冲击响应、损伤面积皆可由小尺寸层压板通过相似理论推算得出。而当裂纹扩展较大时，相似理论不适用，还需要根据现有实验数据进行数值模拟工作预测大尺寸试样的损伤面积