水合作用下植物纤维增强复合材料的力学行为及机理研究

以剑麻、苎麻等植物纤维为增强材料的天然纤维增强复合材料，由于有环保、价廉、力学性能好、声热性能独特等优点，正受到越来越多的关注，并已在建筑、汽车等领域得到了一定的应用。然而，植物纤维的主要成分为含有大量羟基的纤维素，结构为含有大量空腔的中空结构，这些特性使得它们在应用过程中很容易吸收水分，从而带来力学性能的下降。因此，研究植物纤维增强复合材料的吸水行为，对于这种环境友好复合材料的应用具有非常重要的意义。本研究选取具有多细胞结构的剑麻纤维和单细胞结构的苎麻纤维作为研究对象，通过研究这两种植物纤维及其增强环氧树脂复合材料的吸水行为以及吸水对它们力学性能的影响，结合微观结构观察以及红外、液相色谱等表征手段，分析植物纤维增强复合材料吸水动力学、水分作用机制等，揭示水分对该类复合材料力学性能影响的机理，并提出预测模型，为有效抑制植物纤维增强复合材料的吸水行为，减少水合作用对其性能的影响奠定理论基础。

植物纤维增强复合材料由于其环保、价廉、力学性能好、声热性能独特等优点，正受到越来越多的关注，并已在建筑、汽车等领域得到了一定的应用。然而，植物纤维的主要成分为含有大量羟基的纤维素，结构为含有大量空腔的中空结构，这些特点使得它们在应用过程中很容易吸收水分，从而带来力学性能的下降。因此，研究植物纤维增强复合材料的吸水行为，从而建立其水合作用下的长期力学性能预测模型，对于这种环境友好复合材料的应用具有非常重要的意义。.本项目实验研究了植物纤维增强复合材料及纤维增强相和树脂基体相在去离子水中的物理和力学性能随时间的变化，紧密结合植物纤维独特的化学组成和微观结构，得到了模压工艺制备的亚麻/酚醛复合材料三年和RTM工艺制备的亚麻/环氧复合材料一年的水合作用下的老化数据；借助扫描电子显微镜，傅立叶转换红外光谱仪等表征手段，从纤维、基体和界面三个层面揭示了植物纤维增强复合材料在水合作用下的老化机理，提出了在水合作用初期的纯Fican扩散机制、吸水后纤维的整体膨胀所导致的纤维周围的基体裂纹的产生、纤维小分子降解后，亚麻纤维和环氧树脂基体的界面脱粘、亚麻纤维自身的开裂与壁层间的剥离的植物纤维增强复合材料的老化过程；根据植物纤维增强复合材料的老化机理，建立了三阶段的复合材料强度预测模型: 第一阶段塑化作用下的物理溶胀并没有对复合材料造成破坏，吸水一直都符合费肯扩散定律，故其老化机理主要是水分子的塑化作用，可用室温等效原理，将两个温度上的数据叠加到第三个温度上，获得主曲线。第二、三阶段主要以复合材料界面破坏和纤维破坏为主，所以采用了以裂纹扩展速率与力学性能之间关系为基础的半经验公式，建立了复合材料强度的预测公式，与实验结果吻合较好，为植物纤维增强复合材料准确的寿命预测奠定了基础。