杨木和黄麻纤维复合材料点阵夹芯结构的力学性能研究

来源 :东北林业大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:lingyuehqu2009
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点阵夹芯结构具有轻质高强和优异的比刚度比强度等特点,这使其在结构领域的研究越来越深入。但传统的点阵结构主要采用金属和人造纤维进行制备,材料成本较为高昂且制备工艺复杂。生物质材料的原材料来源非常广,价格低廉,环境相宜和具有可降解性的优点。这使得生物质材料在结构领域的应用越来越被重视。本文采用杨木和黄麻纤维复合材料制备点阵夹芯结构,在室温下通过模具的压铸进行试件的制备。最后通过实验的测试和理论分析对生物质材料点阵夹芯结构的力学性能进行了研究。本文通过杨木制备直柱型点阵夹芯结构,并对芯层支柱和面板的连接进行了改进。通过在芯层支柱和面板之间加入垫块使得面板的完整性得到了保留。但受制于材料本身的特性,杨木制备点阵夹芯结构时,其制备工艺和构型设计较为单一;且加入垫块后,试件制备的成功率较低。为此本文通过模具在室温下压铸浸渍环氧树脂的黄麻纤维束,进而制备波纹点阵夹芯结构。探索了黄麻纤维束直径、芯层支柱宽度、长径比和构型对试件力学性能的影响。并在保持构型一定的情况下,与杨木制备的波纹点阵结构进行了对比。使用黄麻纤维束制备点阵夹芯结构的效率明显得到提升,但试件要通过两次模具压铸才能成型。为了简化工艺,本文通过对浸渍环氧树脂的黄麻纤维布进行压铸,制备交叉波纹点阵夹芯结构。探索了纤维布铺层角度、芯层相对密度、构型和纤维体积含量等因素对结构力学性能的影响。对单层和双层结构分别进行了测试和理论研究。实验表明,垫块的存在能够有效提升试件的力学性能,改变破坏模式。在黄麻纤维波纹点阵夹芯结构中将纤维束的直径缩小,减小芯层胞元大小有助于试件性能的提升。使用黄麻纤维复合材料制备的夹芯结构在压缩强度和压缩模量方面比使用杨木制备的点阵夹芯结构分别提高了 84.9%和146.2%。在交叉波纹点阵夹芯结构的压缩实验中试件的破坏模式主要是芯层支柱的欧拉屈曲,断裂和分层失效。弯曲破坏模式主要是面板破碎,面板起皱,支柱破碎和压痕失效。交叉波纹点阵夹芯结构双层实验中,中间支撑板的存在有利于试件上下层胞元的完整性,增强中间支撑板的强度,可使试件的压缩强度和压缩模量分别提升42.9%和28.2%。与传统金属和人造纤维制备的点阵夹芯结构相比较,使用生物质材料制备的夹芯结构具有成本低廉,制备条件需求简单,环保可降解等优势。且其在比刚度和比强度方面也有很好的力学性能。本文通过对杨木和黄麻纤维制备的点阵夹芯结构进行的力学性能研究,可为生物质材料应用到点阵夹芯结构的进一步探索提供参考。
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