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黄麻/碳纤维增强环氧杂化复合材料拉伸性能的实验和数值表征

穆罕默德·亚西尔·哈立德（ensp;Muhammad Yasir Khalid）

穆罕默德·阿里·纳西尔（ensp;Muhammad Ali Nasir）

阿卡什·阿里（ensp;Aakash Ali）

安斯·拉希德

穆罕默德·里亚兹·汗（Muhammad Riaz Khan）

SN应用科学 第 2 卷，文章编号：577（ 2020）153次访问

摘要：

黄麻基绿色复合材料由于自身某些吸引人的特性而成为新兴材料，例如适当的强度重量比，高阻尼比，低价格和耐腐蚀性。同时它可以代替碳纤维来增强复合材料，而拉伸强度却不会降低很多，同时这些杂化复合材料现已用于汽车各种内部和外部零件。复合材料的拉伸强度始终是所有结构设计和分析所必需的数据。本文对碳纤维/黄麻纤维增强的环氧混杂纺织复合材料的拉伸行为进行了研究，通过碳纤维和黄麻纤维的不同体积分数进行了实验和数值研究，研究表明，随着黄麻含量的增加，杂化复合材料的拉伸强度会降低。这项数值与实验结果非常吻合，并且由于黄麻的异质性和织物的起伏性，误差随着黄麻百分比的增加而增加。加上通过分形研究表明，层间存在分层现象，黄麻纤维比碳纤维显示出更多的拉出。最后进行了电子显微镜扫描，发现基质以碎片形式破裂，而纤维在破裂期间呈拔出状。

1.前言

人们对天然和环境友好型材料的兴趣与日俱增，希望降低合成纤维的成本，而合成纤维通常用于聚合物复合材料的合成中。许多科学家已经开始研究天然纤维复合材料（即生物复合材料），因为这些复合材料现在已经广泛用于汽车工业和汽车不同的内部和外部零件。

由于黄麻纤维的阻尼特性和碳纤维的高拉伸强度，碳黄麻杂化复合材料可以代替振动结构中的碳纤维增强复合材料。

Balakrishnan等研究人员研究了以西瓜和果皮颗粒为纳米填料增强的混杂碳/黄麻复合材料的机械性能，样品是通过压缩成型工艺制备的，结果清楚地表明了杂化有益于改善机械性能。

Raajeshkrishna等研究人员比较了混合玻璃和玄武岩夹芯的复合材料的实验和数值结果。复合材料是通过手工铺层工艺制备的，对有限元分析（FEA）进行了数值研究，俩个结果之间的误差最小为0.47％。

Nirbhay等研究人员对15个碳纤维增强复合材料进行了拉伸实验，并使用ABAQUS进行了数值建模，以确定拉伸强度和破坏时的应变。结果表示，参数研究暴露了复合材料强度对增强材料层定向的依赖性。

Rafiquzzaman等研究人员通过对不同层中的环氧树脂和织物进行了建模，并且同时对玻璃/黄麻增强的环氧混杂复合材料进行了实验和数值研究。研究表示，各项同性的材料特性分配给了层，并且模拟值和实验值之间的误差被发现超过10％。这项研究证明，在使用机织增强材料和黄麻天然纤维时，误差可能高达15–20％。

通过对单向碳纤维增强的环氧树脂复合材料进行了拉伸试验模拟，以检查其复制实验拉伸试验的能力。最后发现不同数值模型的结果与实验结果吻合良好。负载和BC施加在参考节点上，并带有抓地节点区域。

同时采用了数值和分析方法，来评估单向纤维增强复合材料沿不同纤维取向的杨氏模量，并且发现这些方法之间的关系是线性的。（ABAQUS用于试样的数值模拟）

Duleba等研究人员进行了碳纤维增强环氧树脂的拉伸试验研究，并使用NX8和Nastran求解器软件包进行了数值评估。但是由于粗糙的加工方法，即手工铺层及编织性质的补强，只能认为仿真结果是稍高的。

通过对凯夫拉尔纤维/玄武岩纤维增强的热塑性复合材料进行了静态拉伸和平面压缩测试，对这些复合材料进行了实验和数值研究，以检验杂化对其性能的改善。得出的实验结果与数值计算结果吻合较好。

同时另一项研究探索了获取弹性工程常数的方法（和1和1,2和v12，2和v12）通过进行薄层压板拉伸试验，来模拟厚层压板所需的编织薄片。

通过碳黄麻环氧混杂复合材料层压板表征抗张强度的实验研究，得出的结论是，这些杂化复合材料可以替代抗张强度损失较小的碳纤维增强复合材料，但另一方面却具有更大的延展性 。

另外通过菠萝叶纤维增强的聚酯复合材料进拉伸强度的实验研究表明，它们是可以代替合成纤维增强的聚合物。

根据ASTM D3039进行了类似的实验研究，以评估黄麻/环氧树脂复合材料的拉伸性能，发现黄麻/环氧树脂的拉伸强度为112 MPa 。

Caroline等研究人员对桉树纤维增强的环氧和聚酯复合材料进行了实验研究，以获得拉伸性能的比较。研究结果表明，这种天然增强材料有望替代合成纤维。

根据ASTM D 3039标准对黄麻/羊毛毡混合层压材料的拉伸行为进行了特征化，并发现了杂化对拉伸强度的积极影响。

在这项研究中，研究了碳黄麻环氧杂化复合材料的不同组合，并准备通过实验和模拟技术来发现杂化对拉伸强度的影响。

2.实验和数值工作

2.1实验工作

2.1.1用料

在本研究中，如图1所示的平纹黄麻织物，具有235 gsm，30times;37（每100 mm的经向30根纱线和纬向37根纱线）和190 gsm的平纹碳（3 K）织物，48times;48（48个纱线在经纱方向与每100mm纬纱方向的纱线48），如图4所示弯曲。

如图2。环氧epotec yd 128与硬化剂epotec TH 8279以100：33的比例（环氧树脂的比例为100，硬化剂的比例为33）一起使用。黄麻由国家纺织大学（NTU）的费萨拉巴德提供，而碳纤维则从巴基斯坦的Vital Polymers Sialkot购买。环氧树脂购自伊斯兰堡的Pak Welcome贸易公司。

图1：黄麻平纹织物

图2：平纹碳纤维布

2.1.2制造方法

如表1所示，由于其简单且成本低廉，因此采用手工铺贴法来制作不同堆叠顺序的样品。在步骤1中，将脱模凝胶施加到玻璃模具上，并在其上放置剥离层。在步骤2中，根据堆叠顺序，放置碳或黄麻织物层，并借助刷子在其上施加环氧树脂。在步骤3中，如图3所示，在织物层上采用辊压辊方法以均匀地分散环氧树脂并去除多余的环氧树脂。类似地，通过重复这些简单步骤来构建整个堆叠顺序。在最后一步中，将样品设置为在室温下固化24小时。如图4所示，样品切割是根据ASTM D3039 。切割后所有堆积顺序的样品平均尺寸见表2。

表1样品方案及其质量百分比

图3：用于去除多余环氧树脂的辊筒

图4：a、b、c三种材料切割后的杂种标本

表2样本尺寸

2.1.3 机械测试

如图5所示，在Zwick / Roell Z100机器上在室温下以5mm / min的加载速率进行拉伸测试。根据纤维增强复合材料拉伸试验的ASTM D3039标准，样品尺寸为250 mmtimes;25 mm。通过在室温23℃和相对湿度50％下施加拉伸载荷直至失效，对样品进行测试。由破坏时的峰值载荷确定强度。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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