帘线增强橡胶复合材料的界面力学特性研究

帘线增强橡胶复合材料广泛应用于轮胎及各种缓冲结构中，它的界面性能极大地影响橡胶复合材料制品的使用性和耐久性，开展界面性能研究对于改善和提高产品质量具有重要意义。帘线增强橡胶材料不同于传统的树脂基复合材料，橡胶基体具有几乎不可压缩性和大变形非线性特性，而帘线又具有拉扭耦合特征，这使得其中的界面力学问题变得非常复杂。本申请拟以单向帘线增强橡胶材料为对象，通过对界面细观结构的表征和分析，建立界面结构的桁架结构分析模型，根据连续介质力学有限变形理论建立非线性边值问题。采用节点平均化的方法描述桁架结构与周围介质的接触，数值计算确定应力、应变场和位移场。基于多尺度均匀化方法，确定材料等效弹性性能，并与试验结果相互验证。通过帘线增强橡胶材料界面参数、帘线结构特征等因素与宏观力学特性的关联研究，揭示界面细观结构对柔性复合材料性能影响规律，建立界面参数的优化准则，为界面设计与新材料开发提供理论依据。

帘线增强橡胶复合材料广泛应用于轮胎及各种缓冲结构中，更好地了解界面性能并进行界面优化设计对改善制品性能具有重要意义。根据非理想界面条件，利用Kolosov常数，获得了横观各向同性材料中满足中性条件的界面参数。如果界面性能是按照一般不考虑热残余应力设计，当热残余应力存在时，那么增强相就不再是中性的。研究表明可以通过控制热残余应力来设计界面参数使增强相保持中性。在最近提出的等刚度杆结构界面研究基础上本研究发展了一种非等刚度杆构成的桁架结构界面模型。根据中性夹杂的概念，采用节点平均化的方法研究了界面刚度方法。研究表明，在等双轴拉伸特殊载荷条件下所有杆是等刚度的。对于帘线增强橡胶材料，等效杆的刚度只与橡胶材料模量相关，而与帘线无关。与等刚度杆结构界面相比，非等刚度杆构成的桁架结构界面模型更适于表征多组分材料界面，而且更易于用于界面性能设计。建立了帘线增强橡胶材料三维非线性有限元分析模型，分析了帘线结构对界面及复合材料性能的影响规律。利用帘线H-拔出、扫描电镜(SEM)分析和表面光电子能谱(XPS)分析等试验方法对帘线增强橡胶材料界面特性进行了表征研究。结果表明，加载速率对帘线在橡胶基体中滑移特征有较明显影响。结合XPS分析说明了尼龙帘线经过偶联剂处理后可显著提高界面粘接强度。本项研究丰富了橡胶复合材料界面性能研究。