用于民族打击乐器的麻织物增强环氧树脂复合材料的制备和表征

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木材由于其独特的力学性能和声学特性成为民族打击乐器的首选材料,然而随着绿色发展需求的增加和乐器用木材的资源日益短缺,且木材受温湿度影响会产生变形甚至发霉腐烂,影响乐器的音质、可拆装性以及使用寿命,而采用普通高分子材料作为替代材料时声学性能不够理想。因此,为民族打击乐器寻找新的替代材料很有必要。麻纤维同木材一样主要成分都是纤维素,且麻纤维增强绿色复合材料不仅轻质环保、可降解、可再生,而且具有优良和可按需设计的力学性能,有望成为制作民族打击乐器理想的替代材料。本文以四种麻平纹织物为增强材料,用氢氧化钠溶液对四种麻织物进行碱改性处理,通过真空辅助树脂转移成型技术(VARTM)制备了麻织物/环氧树脂复合材料。测试并分析了碱处理前后四种麻织物/环氧树脂复合材料的拉伸、弯曲性能。采用横向自由振动方法测试了碱处理前后麻织物/环氧树脂复合材料的声学性能,通过声学频谱分析和综合评分法研究了碱处理对复合材料声学性能的影响,同时将制备得到的麻织物/环氧树脂复合材料的力学和声学性能与民族打击乐器常用木材椿木进行了比较。研究结果表明,经过碱处理后的四种麻织物的力学性能都有所下降,且经纬密度和经纬纱线屈曲波都显著增加。但是苎麻和黄麻复合材料的力学性能却有所提高,其中,苎麻复合材料的经向拉伸强度和模量分别增加了23%和17%,经向弯曲强度和模量分别增加了11%和10%。其纬向力学性能改变不显著;黄麻复合材料经向弯曲强度和模量分别增加6%和29%,纬向弯曲强度和模量分别增加15%和26%,而拉伸性能没有显著性变化。碱处理后大麻和亚麻复合材料的拉伸性能和弯曲性能均有所下降。对碱处理前后纤维表面形貌进行观察发现,碱处理后四种麻纤维表面都更加光滑,复合材料的拉伸断裂截面形貌表明碱处理使苎麻和黄麻复合材料的界面有所改善,而大麻和亚麻复合材料界面未见显著变化。复合材料的拉伸和弯曲性能受纱线屈曲波和界面性能的共同影响。通过声学频谱分析发现,与未碱处理相比,碱处理后大麻和亚麻复合材料的固有频率有所下降,而黄麻和苎麻复合材料的固有频率略有增加。复合材料的声学振动性能综合评价结果表明碱处理有助于提高苎麻和黄麻复合材料声学性能,而降低了大麻和亚麻复合材料的声学性能。由于声学性能和界面粘结强度有关,改善界面粘结强度可以提高声学固有频率,因此这个结果也验证了碱处理对各种纤维与树脂之间界面的影响。对比四种麻纤维复合材料与椿木的力学和声学性能,研究发现,除大麻复合材料的弯曲强度高于椿木顺纹以外,四种复合材料力学和声学性能几乎介于椿木横纹与顺纹之间,并与椿木具有类似的频谱特性。但是由于本课题采用的麻织物的经纬密度基本相同,故其复合材料的力学和声学特性各向异性不明显。因此有望通过调节纤维体积含量、纱线屈曲波高度、织物经纬密度等来改变复合材料的力学和声学性能,可以达到接近椿木的力学和声学性能的目的。
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