多轴向经编聚酯织物增强膜材力学性能研究

发布时间：2018-11-10 09:29

【摘要】：膜材料是一种新颖的柔性复合材料。由于它具有低模量、柔软、高弹性、高拉伸强度、质量轻、设计灵活、造型独特等特点,因此被广泛的应用于各种受力结构中,尤其在建筑、运输、防灾减灾、户外广告、文体设施等领域越来越受到人们重视。膜结构材料种类繁多,常见的膜结构材料是以聚酯和玻璃纤维平纹织物作为增强材料,这种织物只有两向增强,这严重限制了膜材料的应用领域。而多轴向经编织物,具有多轴增强的特点,趋于各向同性,有利于形成复杂造型,与平纹织物等传统增强体相比优势明显。在膜材料加工工艺方面,常见的涂覆膜加工工艺复杂,成本高,而流延法相比之下具有工艺简单、加工效率高、产品质量稳定等特点,应用前景广泛。另外,在膜材正常使用过程中经常受到各个方向的载荷作用,因此制备多轴向经编聚酯织物为增强体的流延涂层聚氨酯或聚乙烯膜结构材料,并研究其各向增强的力学特点具有重要的科学和经济意义。基于以上原因,本文制备了以多轴向经编聚酯织物为增强体的流延涂层聚氨酯及聚乙烯膜结构材料,详细介绍了上述膜材料的制备方法,并对两种膜材料在小应变、大应变、往复拉伸及大载荷蠕变等条件下的各向异性力学行为进行了试验研究和理论分析。同时,本文还利用微观代表性体积法和非线性粘弹塑本构关系对膜材料的各向异性力学行为进行了理论模拟,模拟效果良好。本文具体的研究内容概述如下:(1)对聚酯纤维多轴向经编织物膜结构材料的制备工艺进行了介绍。详细阐述了在利巴copentramulti-axial型多轴向经编机上,使用涤纶高强工业丝和涤纶缝合纱开发四轴向经编针织物的过程。具体内容包括织造设备、原料选择、织造工艺、上机调试工艺、织物参数。织造工艺中包括整经工艺、铺层工艺和编织工艺。然后对编织成品进行了拉伸性能测试,测试结果显示该织物具有良好的力学性能,适合于作为柔性复合材料的增强体。最后还对流延工艺的设备结构、工艺流程和工艺参数等进行了介绍。(2)研究了将多轴向经编涤纶织物作为增强体,聚氨酯和聚乙烯作为基体的膜结构材料弹性行为特征。从微观角度,利用代表性单元体积法,建立了一个微观代表性体积单元(rve),通过测量几何结构参数,得到每束增强纱及缝合纱的体积分数。再利用桥接矩阵,建立基体与纤维增强体之间的联系。通过假设rve中的各种微观组件是各向同性材料,得到其柔度矩阵。随后利用matlab科学计算软件计算出宏观材料的理论柔度矩阵,从而得到该材料的理论工程常数,即理论弹性模量。预测了膜材在弹性阶段0°、22.5°、45°、67.5°和90°方向的弹性模量,并将预测结果与实验结果进行对比,发现二者具有较好的一致性。(3)研究了小应变情况下,多轴向聚氨酯膜结构材料的各向异性力学行为。首先选取了聚氨酯膜结构材料0°、22.5°、45°、67.5°和90°五个方向试样,对其进行了单轴拉伸测试,分析其弹性阶段的变形特征。然后利用双折线法计算出22.5°、45°、67.5°和90°的弹性模量,通过直接拟合得到0°初始模量。利用xtdic三维数字散斑全场应变测量系统(dic),获得试样不同区域的泊松比。最后通过弹性材料正交各向异性模型发现,小应变下多轴向聚氨酯膜结构材料的力学行为符合正交各向异性本构关系。(4)研究多轴向聚乙烯膜结构材料三个弹性阶段的各向异性力学行为。制备了0°、22.5°、45°、67.5°和90°五个方向的多轴向聚乙烯膜结构材料试样,通过单轴拉伸实验,根据三段法得到不同阶段的拉伸模量,并利用dic系统获得三阶段对应的泊松比。接着,利用改进的弹性材料正交各向异性本构关系预测了22.5°及67.5°试样的分段模量及泊松比,并与实验测得的数据进行了对比分析。另外,通过往复拉伸实验,分析了循环加载对试样荷载-伸长率曲线以及对膜材失效应力和弹性模量的影响。结果表明:三个阶段的弹性行为都不符合正交各向异性行为特征,进而根据实验结果提出各向整体弹性模量的经验方程。除0°方向试样外,其余角度试样往复拉伸后失效应力及模量均获得提升,每个角度试样的拉伸曲线的非线性都没有明显优化。(5)研究了温度20℃多轴向聚乙烯膜结构材料在恒定应力条件下的蠕变变形行为。通过单轴定速拉伸实验得到该材料在不同角度下的失效应力和表观模量,即弹性变形特点。在纤维方向以3种应力水平,非纤维方向2种应力水平,进行7小时的蠕变实验和7小时的蠕变回复实验,研究该材料的粘弹性形变特征。然后根据不同时间蠕变、回复实验以及不同应力水平下的蠕变实验,得到粘弹性和粘塑性应变与时间和应力的关系,提出相关本构方程,预测不同角度试样在不同应力水平下的蠕变行为。结果显示,该本构方程曲线与实验数据相吻合,因此该方程可以用来研究和预测多轴向膜材的蠕变行为。综上所述,虽然聚酯纤维模量低,柔软,易变形,但是通过改进工艺方法,可以织造出满足要求的多轴向经编织物。由于基体和增强体的模量接近,基体对多轴向膜结构材料的力学性能有重要影响。多轴向膜结构材料的弹性拉伸行为具有明显的非线性特征,有两个转折点,即纤维束平行排列增强点和捆绑纱断裂屈服点;分成三个阶段,第一段主要是基体的剪切变形,第二段主要是增强纱、捆绑纱和基体三者共同承载,第三段捆绑纱失效,只剩增强纱和基体两者一起承载。其中,第二阶段的弹性模量可以用微观代表性体积单元模型来计算。多轴向聚氨酯膜结构材料的初始阶段可以认为是正交各向异性的。但是,由于模量和泊松比的计算方法不同,多轴向聚乙烯膜结构材料的三个阶段都不符合正交各向异性特征。多轴向膜结构材料经过循环加载,可以提高失效强度,但是对拉伸曲线的非线性没有改善。斜交纱线虽然没有贯通试样,但是对材料变形特征和失效方式都有复杂的影响。多轴向膜结构材料的弹性变形是其最主要的变形形式,但是随着时间的作用也伴随有粘弹性和粘塑性变形。
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【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TS186.1

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