天津工业大学《CS》：基于混合模型分析与预测多尺度苎麻平纹机织织物增强复合材料的拉伸性能

导读

天然纤维由于其碳捕获和可再生性，越来越多地被用作复合材料的可持续增强材料。经典混合规则(ROM)和基于ROM的模型被广泛用于预测具有随机或单向取向结构的天然纤维增强复合材料的拉伸性能。然而，机织织物增强体是由经纱和纬纱交织而成，经纱和纬纱则是由短纤维纺成的。多尺度复合材料结构使得拉伸性能难以预测。

2023年，《Composite Structures》期刊发表了天津工业大学在基于混合模型分析与预测多尺度苎麻平纹机织织物增强复合材料的拉伸性能方面的研究工作，通讯作者为王春红教授和裴晓园副教授，论文标题为“Analysis and prediction of tensile properties based on rule of mixtures model for multi-scale ramie plain woven fabric reinforced composite”。

该文深入分析了不同面密度的苎麻平纹机织织物增强复合材料的多尺度结构与拉伸性能的关系，为天然纤维层压机织织物物增强复合材料的拉伸强度预测提供了一种方法。通过苎麻短纱增强复合材料的累积拉伸载荷和复合材料的实际横截面积，预测了单层和多层苎麻平纹机织织物增强复合材料的拉伸强度。为了进一步提高拉伸强度的预测精度，引入了ROM模型。在现有ROM模型的基础上，用单向纱增强复合材料的抗拉强度和经纬体积分数代替纤维的抗拉强度和总体积分数对其进行增强。建立复合材料抗拉强度与短纱和平纹机织织物结构参数之间的数学关系，为苎麻平纹机织织物增强复合材料的抗拉性能分析和预测提供了新的视角。

内容介绍

不饱和聚酯树脂（Unsaturated polyester resin，UPR）以1.5 wt%硬化剂和0.75 wt%促进剂混合后作为基体。采用真空辅助树脂注入液体复合成型工艺制备了不同面密度的多层苎麻平纹机织织物增强复合材料(Multi-layer ramie plain woven fabric reinforced composites，MRPC)。采用手工铺层成型工艺制备了不同面密度的单层苎麻平纹机织织物增强复合材料。以苎麻短纱为原料，经双辊浸渍挤出多余树脂，制成苎麻短纱增强复合材料(RSYC)。MRPC、SRPC、RSYC和多尺度结构复合材料的制备如图1所示。

图1RPF、SRPC、MRPC、RSY和RSYC的制备和多尺度结构

利用ImageJ在截面图中测量纱线卷曲结构卷曲角、波高和波长，如图2所示。

图2纱线卷曲结构示意图

由于苎麻纤维长度较短，采用加捻纺丝的方法制备RSY，使纤维在纱线中有一定的角度。RPF由经纱和纬纱交织而成，如图3所示。经纱的卷曲结构导致了纤维角度的变化。在纬纱的一侧，经纱受到挤压，纤维取向倾向于沿织物分布，有利于织物拉伸时应力在纤维中的传递。在纬纱的另一侧，经纱被拉直，纤维沿卷曲角分布。倾斜的纤维产生薄弱位置，导致应力传递差。应力集中区在平纹织物结构中呈锯齿状分布，这是造成SRPC和MRPC呈锯齿状断裂的原因。

图3基于薄弱部位的复合材料断裂机理

从图4可以看出，纤维的滑移和断裂是纱线失效的重要原因。短纱是由多种纤维捻合而成。当施加拉伸载荷时，扭曲的纤维具有向径向压缩纱线的张力，并产生垂直于纤维表面的力。纤维之间的法向力增加，因此开始滑移所需的摩擦力增加。换句话说，纱线中纤维之间的粘结力增加了。一般情况下，纱线较粗，扭曲不明显，纤维间的粘结性较差，导致短纱的抗拉强度较低。

图4(a) RSY的断裂行为；(b-f) RSY径向断裂表面；(b’-f’) RSY纬向断裂表面

前人的研究表明，由于树脂的加入，RSYC的拉伸载荷远高于RSY的拉伸载荷。有效树脂渗入短纱内部，使短纱的失效模式由滑移断裂转变为抽拔断裂。固化的树脂可以限制纤维间的滑移，提高纤维断裂的同时性。与RSY相比，RSYC的抗拉强度和模量提高，断裂伸长率降低。从图5可以看出，RSYC的断裂面比RSY的断裂面更整齐，但由于树脂渗透性差，纤维-树脂界面较差，仍有部分纤维从树脂中被拉出，如图5h-l和5h'-l'所示。

图5(a-b) RSY和RSYC的断裂行为；(c-g) RSYC经向的断裂表面；（c’-g’）RSYC纬向的断裂表面；(h-l) RSYC径向的断裂截面；(h’-l’) RSYC纬向的断裂截面。

在去除纱线数和层数的影响后，不同形式的RSY、RSYC、RPF、SRPC和MRPC对单根纱线的拉伸载荷如图6a所示。拉伸载荷从RSY到RSYC和从RPF到SRPC的提高是由于树脂的加入增加了断裂同时性。拉伸载荷由RSY下降到RPF，这是由于RPF中有许多卷曲纱线存在异步载荷。而由于纱线卷曲度的变化和冗余树脂的增加，纱线和股数的变化分别促进了RSYC向SRPC和SRPC向MRPC的降低。当剔除纱线数和层数的影响后，图6b和图6b’可以看出，三种复合材料的拉伸载荷值非常接近。然而，当考虑单位横截面积的拉伸载荷时，RSYC的抗拉强度远高于图6c和图6c’中的SRPC和MRPC。这是由于不同形式的复合材料中纤维和树脂的面积或体积不同。图6d显示了织物上相邻经纱或纬纱之间的间隙。在纺织工业中，用覆盖率来表示织物的纱线排列紧密度，覆盖率等于纱线对织物的面积分数。当忽略纱线与织物的截面积、纱线卷曲以及织物厚度方向上的其他结构时，将纤维和树脂体积分数作为覆盖率和表观孔隙率。

图6(a)消除了纱线数和层数的影响的RSYC、RSY、RPF、SRPC和MRPC的拉伸载荷的比较；(b-b’) RSYC、SRPC和MRPC的拉伸载荷：b,径向；b’纬向；(c-c’) RSYC、SRPC和MRPC的抗拉强度：c,径向；c’纬向；(d)复合材料的结构分析。

小结

该研究的一个重要发现是，具有非线性拉伸特性的短纱和平纹机织织物的拉伸性能不能用于预测机织织物增强复合材料的拉伸性能。机织织物增强复合材料的拉伸载荷，无论是单层的还是多层的，都可以看作是经纬增强复合材料拉伸载荷的累积。多层机织织物增强复合材料的拉伸载荷和强度预测比单层机织织物增强复合材料更不准确，因为在纱线增强复合材料的拉伸载荷积累过程中没有考虑压力，并且层压复合材料中纱线的方向和排列难以控制。最后，将受织物结构几何参数影响的纱线直径、纱线间距、纱线卷曲度和波高范围内的织物参数引入改进的ROM模型，进一步提高机织织物增强复合材料抗拉强度预测的准确性。该研究的主要优势在于消除了对实际复合材料参数的依赖，有助于我们对机织织物增强复合材料进行产品设计和性能评估。

原始文献：

Qi Zuo, Chunhong Wang, Xiaoyuan Pei, Ligang Lin, Yonggang Li, Weidi Sun，Analysis and prediction of tensile properties based on rule of mixtures model for multi-scale ramie plain woven fabric reinforced composite, Composite Structures 311 (2023) 116785, https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.116785.

 原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822323001290.

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