植物纤维复合材料的性能评价及力学模型的研究

Due to the advantages of environmental protection, light weight and low cost of natural plant fibers, more and more of them are used in building, automobile and packing composite material industry. But the natural growth and micro-morphology characteristics of natural fibers decide the nonhomogeneity performance. Therefore, how to effectively play the mechanical advantages of natural fibers, to realize the reinforced and toughening design, to solve the uniform distribution of fibers and the matrix interface problems, to realize the property reliability design, all are the keys to get the high performance composites. This research uses different reinforced forms of natural fibers, such as the short fibers, fibers mat, fiber fabric and fiber rope, to realize the design, the preparation and the mechanical properties evaluation，to solve the even distribution problem of natural fibers，and to realize the optimization design of composites; the dynamic performance testing and evaluation system of the material performance will be set up and completed, and the nondestructive testing of natural fiber composites will be realized; the mechanical prediction of the different forms of plant fiber reinforced composites will be set up, which can make effective performance prediction of natural fiber reinforced and toughening composites become possible. Through this research, the optimization design will be realized and the performance prediction and evaluation system will be completed.

天然植物纤维由于其环保轻质特性以及其成本优势，越来越多地用于建筑、汽车、包装等复合材料工业。但植物纤维的自然生长特性及微观形态学特征决定了其性能的不均一性。因此，如何有效发挥植物纤维的力学优势，实现材料的增强与增韧，解决纤维在基体中的均匀分布与界面问题，实现复合材料性能的可靠性设计，成为获得高性能植物纤维复合材料的关键。本研究利用天然植物纤维的不同增强体形态，如短切纤维、纤维毡、纤维绳和纤维网等，进行植物纤维复合材料的设计制备，解决纤维在材料中的均匀分布问题，并对材料的力学性能进行优化设计；建立并完善材料性能的动态评价体系，实现植物纤维复合材料的无损检测；对不同增强体形态的天然植物纤维复合材料的力学预测模型进行搭建，使植物纤维增强增韧复合材料的有效性能预测成为可能。通过本研究将实现植物纤维复合材料的优化设计及完善其性能预测和评价体系。

植物纤维由于天然的可再生性，其作为能源和材料的资源化利用越来越受到关注。植物纤维复合材料鉴于其绿色环保的特点以及部分程度上可取代木材使用，应用领域也日益拓宽。但植物纤维复合材料的可靠性受到了纤维分布均匀性和界面问题的制约，很大程度上限制了植物纤维复合材料的发展。目前，植物纤维复合材料的应用集中于建筑领域，民用领域以及功能化材料的研究。如何简化纤维的预处理程序，利用植物纤维的不同增强体形态提高材料的力学性能，进行植物纤维复合材料的力学性能评价与预测成为了研究热点。.本研究从四个方面进行了植物纤维复合材料的研究，具体包括植物纤维代木材料研究；不同增强体形态对植物纤维力学性能的影响规律研究；基于Labview的植物纤维复合材料的无损检测系统的建立，以及借鉴了混合定律建立了植物纤维复合材料的性能预测模型。具体研究为：从不同植物纤维的微观特征所决定的纤维力学性能为着眼点，研究植物纤维增强增韧复合材料。以杨木单板为面板，无纺针刺椰纤维毡与玻璃纤维网格布作为增强体夹层，以不同的热压工艺和不同的胶粘剂类型作为考察变量，制备出冲击韧性优异的椰纤维代木材料，为解决废旧植物纤维的利用问题和节约木材资源提供了一条可行的思路。选用了不同的植物纤维增强体形态来进行植物纤维复合材料的制备，具体选用了椰纤维作为研究对象，纤维形态选择为短切纤维、纤维毡、纤维绳和纤维网，对椰纤维复合材料的力学性能进行了检测，确定了不同纤维形态对材料力学性能的影响规律。利用Labview软件与外接信号收集和数据采集装置，建立了一种材料振动特性的评价系统，借助软件的强大功能实现了材料的阻尼特性评价以及弹性性能评价，完善了植物纤维复合材料的无损性能评价体系。基于纤维增强复合材料的混合定律，并建立了椰纤维绳增强形式的拉伸模量的分段预测模型，实现了椰纤维绳不饱和聚酯材料的拉伸性能的预测，并对椰纤维不同增强体形态增韧不饱和聚酯材料的增韧机理进行了理论模型的构建，完善了天然纤维复合材料的性能预测体系。