LONTAR加强的天然复合材料（Borassus flabellifer)纤维:裸眼拉伸强度的实验研究

摘要

本文研究了孔洞结构对长纤维增强复合材料抗拉强度的影响。本研究中使用的隆塔纤维增强复合材料是采用手工铺层工艺制备的。长纤维增强复合材料是由长度为5 cm的短无规纤维(含标称纤维体积的32%)和不饱和聚酯为基体组成。结果表明，孔结构的不同对长纤维增强复合材料的抗拉强度有影响。结果表明，由于重分布应力的作用，四孔试件的应变扩展面积变小，应力没有通过孔。lontar损伤的纤维增强复合材料具有不同孔配置张力非常直接和横向加载轴,在初始伤害发生在基体开裂的形式,传播到界面失败的分层形式,并最终失败主要是由于纤维断裂。

1.介绍

如今，汽车运输的重量对其能源消耗有着很大的影响，而运输中的减重技术对于大幅降低能源/燃料消耗和排放至关重要[1]．

从材料使用的角度来看，根据减重问题和环境方面的考虑，有必要开发新的材料来替代汽车应用中的传统材料。在这方面，有六个主要问题驱动材料在汽车应用的发展。前四个问题是开发和使用更轻的重量的材料，这与燃料效率的问题，减少CO₂排放，节约不可再生资源。推动运输业寻找新材料的另外两个问题是成本效益和材料的性能。

在这种情况下，基于可再生资源和自然资源的复合材料不仅具有很好的降低CO的潜力₂排放还通过替代常规的矿物和石化（化石）材料来节省不可再生资源。印度尼西亚是世界上自然资源潜力最大的国家之一。兰塔尔水果的天然纤维（Borassus flabellifer)是由生长在东努沙登加拉地区的植物产生的潜力之一。

天然纤维有可能取代合成纤维在交通运输业复合材料领域的主导地位，从而为开发天然纤维复合材料带来机遇和挑战走绿色和回归自然的概念。此外，天然纤维种植和选矿的经济影响已得到充分确认，并被认为是通过农业和工业革命实现可持续增长的关键驱动力，特别是对发展中国家[2]．

Boimau等人总结了长塔纤维增强复合材料领域的研究进展[3.- - - - - -5研究了隆塔纤维的物理性能、隆塔纤维增强复合材料的机械强度和化学处理的影响。结果表明，经过氢氧化钠处理的长纤维增强复合材料的抗拉强度比未经处理的材料有较大的提高。综上所述，30%的龙塔纤维体积分数经氢氧化钠处理后的拉伸和弯曲强度优于其他体积分数。文献中报道了关于隆塔纤维的形态、力学和热性能的一些详细研究[6- - - - - -9[建议这些纤维可用于自然复合制造中的增强部件。还发现，LONTAR纤维是便宜的，丰富的纤维，而生态纤维，因此必须探索这些纤维在技术世界中的潜在效用，如图所示1显示隆塔纤维与其他天然纤维的比较[9]．

Gobi Kannan等研究了孔洞大小对亚麻纱线复合材料拉伸强度的影响及损伤机理。11]．结果表明，随着孔尺寸的增大，孔边缘的损伤机制和应力集中程度都有所不同。同样地，孔洞大小对聚合物基复合材料拉伸强度的影响，Ghasemi和Moradi [12]的研究发现，与孔洞较大的复合材料相比，孔洞较小的复合材料具有更高的拉伸强度。随着孔尺寸的增加，破坏面积增大，破坏模式也不同。Abdul Nasir等[13[探讨钻孔天然亚麻纤维复合材料的损伤机理研究。他们的实验结果发现，进料速率的最低率和最高的主轴速度导致样品表面和底部的最低分层损伤。Dan-Jumbo等人。发现每个孔模式影响了缺口强度不同[10]．他们解释说，在复合材料的设计实践中经常会出现在孔附近的其他孔的存在，这种不同图案的孔排列也会影响层合板的强度。研究结果表明，采用菱形阵列的四孔层压板的抗拉强度最低，采用方形阵列的四孔层压板的抗拉强度最高。结合设计实践，他们认为多孔阵列应沿加载方向布置。Arslan等人[14他们解释说，当周向应力平行于纤维方向时，它会导致更强的力通过纤维传递。当周向应力垂直于纤维方向时，由于基体薄弱和弹性模量低，通过基体的力传递不显著。Rakesh等人曾报道过一项关于孔洞存在导致复合材料损伤行为的研究[15]．综上所述，切割/钻孔应力区域的微观损伤以基质微裂纹、孔周围剪切破坏、纤维-基质界面破坏和纤维断裂的形式破坏。在类似的研究中，Wisnom [16解释了分层对裸眼复合材料试件抗拉强度的作用。在拉伸载荷作用下，复合材料试样的破坏完全由分层损伤机制的出现控制，特别是层厚和韧带比例较大的试样。Diharjo介绍了钻孔和模压孔不同加工工艺对复合材料强度的影响[17和Zitoune等人[18]．结果表明，模孔试样的抗拉强度高于钻孔试样。Bale等也解释了非连续碳纤维复合材料和单向玻璃纤维在拉伸载荷作用下孔周围的损伤行为。19，20.]及贝尔[21]．研究表明，损伤基体的积累、基体与纤维的分离、分层和纤维的损伤是导致非连续碳纤维复合材料和单向玻璃纤维损伤的主要原因。在之前的研究中，研究了不同圆孔数量和形状下层合板的拉伸强度[22]．结果表明，破坏强度与孔洞数量密切相关，而与孔洞类型无关。此外，破坏模式也随井眼形态的变化而变化。

在本研究中，计划研究了孔构型对叶片纤维增强复合材料的拉伸强度的影响。为此，进行了一系列测试以建立开孔和叶片纤维增强复合材料的开孔和多孔的拉伸强度。此外，使用显微镜的过度验收用于绘制损坏机制。兰塔尔纤维增强复合材料的分析是一种挑战，因为与其他天然纤维复合材料材料相比，该材料具有有限的信息。

2.实验的程序

孔模式的平面视图如图所示2．

本研究中使用的复合材料试样是由长纤维5厘米的长纤维增强的。为了考虑纤维与基体之间的界面问题，先用蒸馏水清洗龙塔纤维并干燥24 h。然后在室温下用4%的氢氧化钠处理长纤维2 h。将处理后的纤维用蒸馏水洗涤，在室温条件下干燥，直至纤维上的水分自然去除，且无残留的氢氧化钠。该复合材料试样采用手工铺层工艺制备，含32%的隆塔纤维体积。根据各组分质量分数混合模型的规律，得到隆塔纤维体积百分比。不饱和聚酯作为基体，试样厚度为4mm。纤维的排列方向是随意地相互抵触的。为了研究裸眼井的抗拉强度，对五种井网构型进行了研究。构型I包含一个裸眼孔，构型II和构型III包含两个与加载方向平行和垂直的孔。 Configurations IV and V have four holes with diamond and square patterns.

试验采用一台容量为100 kN的伺服液压试验机进行。这台机器配备了一个标准的测压元件和机械握把。试样排列整齐，首先安装在试验台的下部，然后安装在试验台的上部。安装样品后，任何加载由于夹持通过控制面板最小化。使用百分表单元记录所有的测试结果，如载荷和位移。然后，测试就开始了。静态拉伸试验是在恒定的十字头速度1mm /min下进行的。测试程序基于标准ASTM D5766，其中包括每个测试的五个样品，分别，每种类型的孔配置。数字3.显示测试设置和所有类型的样品。

3.结果与讨论

研究了长塔纤维增强复合材料的拉伸性能。所有试样都进行了拉伸试验，直到最终断裂。对每种类型的孔结构进行了三个试样的测试。数字4给出了试件在静态条件下的荷载-位移曲线。

这些曲线显示了改变孔结构对试样拉伸性能的影响。每条曲线都表现出具有突然破坏的典型脆性行为。最高极限拉伸载荷2400 N在配置III中显示。数字5给出了应力应变关系曲线。

这些曲线是拉伸试验得到的应力应变曲线，其中应力是由给定荷载产生的，应变是由整体位移产生的。应力-应变曲线呈线性关系。这是典型的脆性材料，复合材料在静态拉伸载荷作用下突然失效。应力-应变曲线中没有明显的非线性迹象，除了试验开始时，可能是纤维重新排列引起的，可能与握持运动相对应。为了计算应力，可以使用之前研究报告的两种方法[23]．第一次计算的净应力定义为

第二个没有洞的计算是 在哪里试件的应力是否有孔面积和试样的应力是否无孔面积，而拉伸加载,为试样的宽度，孔的直径是多少为试样厚度。

结合两种方法计算应力;局部而言，孔洞的存在使样品在孔洞周围的较低区域。因此，在不同孔型下，应力计算增加，导致区域间局部应力增大。带有四个孔(菱形和方形)的样品与由一个或两个孔组成的其他孔结构相比，具有更小的面积。在同一时间和荷载周期内，孔洞越多的区域面积越小，从而增加了应力。如图所示5四孔试样产生的应力最高。这说明拉伸载荷均匀分布在试样边缘附近的无孔区域，使应力增大。此外，该现象在孔位应力水平上也得到了前人研究的证实[22，结果表明，多孔层压对残余强度的增加有影响，残余强度的增加是由应力重分布在净截面上产生的。Dan-Jumbo等[10]还发现，由于应力分布的不同，四孔结构石墨/环氧复合材料产生的0°纤维取向层的归一化应力高于一孔或两孔结构，如图所示6，其中沿加载方向的深色阴影区域为零应力区。

该长纤维增强复合材料试样的最高UTS约为44 MPa，最高模量测量为1.5 GPa，如图所示7．

可以注意到，拉伸模量的差异也可以源自在样本表面发生的不同局部应变变化，如图所示8．

从图中8，由于应力重分布，四孔试件比含单孔和双孔试件的具体区域应变传播更小，应力没有通过孔，因此沿孔位置区域应力应变最低，如图所示9，这也是之前研究的一项发现[10]．

从这种情况下，我们可以假设含有更多孔洞的区域(四孔洞模式)将比含有更少孔洞(一个或两个孔洞)的试件经历最低的应力区域。结果表明，由于应力区最低，四孔型比区域的应变传播较小。这些不同的应力应变条件对于不同的孔结构最终会影响拉伸模量的测量。

此外，不同的拉伸模量也可能表明手工铺层工艺产生的子结构高度不均匀。这意味着整个厚度上的空洞、富树脂区和纤维扭结等制造缺陷决定了长塔纤维增强复合材料的表面应变行为。如图所示，这些试件以脆性形式破坏10．

LONTAR纤维增强复合材料的脆性衰竭具有不同空穴配置的张力张力的样本相当直的和横向于孔边缘的装载轴线，如图所示10．孔洞的存在增加了应力集中，导致强度退化，并在测试过程中引发损伤。结果发现，损伤从孔的边缘开始，并沿应力集中程度最高的宽度扩展。起裂损伤以基体开裂的形式发生。在孔边缘的界面处，纤维与基体的分层使损伤区域扩大。观察到，在初始损伤后，试件在位移增大的情况下继续承受拉伸载荷。在此损伤区域，基体开裂一直持续到试件宽度侧的末端。随着拉伸载荷的增加，界面破坏以分层形式出现，这实际上是基体开裂扩展的结果。在损伤扩展的最后阶段，当达到临界点时，损伤区域到达试件宽度侧的末端，试件最终失效的主要原因是纤维断裂，如图所示11．这意味着层合板中的纤维不再能够承受或承载增加的给定载荷，损伤已经完全发生。一般情况下，长纤维增强复合材料不同孔洞构型的损伤机理并无差异。以前的研究也描述了这种损伤现象[12用于准各向同性碳/环氧复合材料。

4.结论

本文介绍了在静拉伸载荷作用下不同孔型的短随机长纤维增强复合材料的试验结果。得出以下结论:（1）孔结构的不同对长纤维增强复合材料的抗拉强度有影响。（2)长纤维增强复合材料的应力受孔洞的局部影响。（3）拉伸模量的差异可能是由试样表面发生的不同局部应变变化引起的。（4)由于重分布应力的存在，四孔试件(菱形阵列和方形图形)比含单孔和双孔试件的应变传播更小，应力没有通过孔，沿孔位置区域的应力和应变最低。（5）拉伸模量表明了手工铺层法制备过程中产生的非均匀子结构。这意味着整个厚度上的空洞、富树脂区和纤维扭结等制造缺陷决定了长塔纤维增强复合材料的表面应变行为。（6）以分层形式出现的界面破坏实际上是基体开裂的初始损伤随拉伸载荷的增加而扩展的结果。(7）不同孔洞构型的长纤维增强复合材料在拉伸状态下的损伤表现为相对于加载轴方向的垂直和横向损伤，其初始损伤以基体开裂的形式出现，最终失效的主要原因是纤维断裂。（8）在我们未来的工作中，我们将重点关注兰花纤维增强复合材料作为机械接头。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者感谢印度尼西亚研究、技术和高等教育部(KEMENRISTEKDIKTI)通过2017年基础研究资助的支持。

参考

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