不同的参数对机械的影响和侵蚀穿竹纤维增强环氧树脂复合材料的行为

文摘

天然纤维钢筋在聚合物复合材料的应用在过去的几十年里不断成长。这些复合材料找到不同的应用程序在充满敌意的环境暴露在外部攻击等固体颗粒侵蚀。同时,在很多方面,不同聚合物复合材料的力学性能是其最重要的特征。因此,改善聚合物复合材料的耐腐蚀性和机械行为的主要需求在其应用程序。竹纤维富含纤维素,相对便宜,大量可用在聚合物强化的潜力。为此,本文尝试不仅研究竹纤维的利用潜力在聚合物复合材料研究各种参数对机械的影响和侵蚀穿竹纤维增强环氧树脂复合材料的性能。

1。介绍

纤维增强聚合物越来越成为潜在候选人取代传统材料由于其许多优点。这些复合材料发现应用程序在不同的领域从电器航天器。天然纤维在聚合物复合材料加固的应用不断增长在过去几年。这种纤维的主要优势是他们的低成本、提高,生物降解性,低比重、丰度、高的比强度和刚度。在各种天然纤维、竹发现广泛使用在世界各地的住房建设和住房被认为是一个有前途的建筑材料应用在发达国家和不发达国家。是自古以来的传统建筑材料,竹纤维是一个很好的候选人使用天然纤维复合材料。许多研究关注竹子的原因是竹子在亚洲是一种丰富的天然资源,和它的整体力学性能相媲美的其他相关木材复合材料。此外,竹子可以再次与木材相比快得多。竹子是一种极其重量轻,功能梯度,自然复合高强度。聚合物复合材料找到各种应用程序在充满敌意的环境遭受外部攻击等固体颗粒侵蚀。 In many respects, the mechanical properties of different polymer composites are their most important characteristics. Therefore, improvement of the erosion resistance and mechanical behavior of polymer composites are the prime requirements in their applications.

聚合物复合材料的性能很大程度上受到许多因素的影响。纤维负载的影响,纤维长度、纤维和方向对聚合物复合材料的力学性能具有显著的影响,研究了许多调查人员(1- - - - - -4]。浓度等参数的影响,冲击速度、冲击角度,纤维几何和形状的粒子侵蚀率是非常重要的,和任何更改会大大影响物质损失的速度(5]。高分子复合材料的腐蚀磨损行为的系统作为纤维的函数(6,7),粒子(8,9)和织物内容(10,11),纤维和填料类型(6,12],纤维取向[7,13,14),纤维长度(7,15],撞击角[6- - - - - -8,12- - - - - -14,16),冲击速度(8,13),侵蚀的质量方向(16)进行了研究。虽然已经取得了大量的工作在各种参数对机械和磨损行为的影响不同的类的聚合物复合材料研究的影响参数对natural-fiber-based聚合物复合材料是罕见的。为此,在目前的研究工作,一直尝试研究各种参数对机械和侵蚀的影响竹纤维增强环氧树脂复合材料的磨损行为。

2。实验的细节

2.1。复合材料制造

双向竹纤维收集当地的来源。环氧LY 556和相应的固化剂(HY951)是由汽巴磷印度有限公司。一般来说,竹茎是一种薄壁空心圆柱体与节点分离。在目前的研究中,连续三节间、250 - 300毫米的长度和直径150毫米,获得的数字中高3岁的竹子。这些“管”然后分为棒的平均直径2.5毫米和150毫米的长度。这些棒分为几种类型的带取决于个人需求。提取的纤维干在烤箱45°C 4 h去除水分。每一层的粗纱双向竹垫(图1150×150毫米)的维度²。竹纤维的平均直径约为2.5毫米。复合材料板是由加强竹垫在环氧树脂使用简单的手糊法光压缩成型,如手糊复合生产技术是一个简单的方法。模具必须用于hand-lay-up部分除非复合直接加入到另一个结构。模具可以简单平面矩形薄板。对于一些形状,模具必须加入部分,所以他们可以随意拆卸部分切除后固化。准备上篮之前,模具的脱模剂,以确保不会坚持模具。强化纤维可以削减的模具。由设计师组织类型、数量和所使用的纤维方向。树脂必须被催化,然后添加到纤维。 A brush, roller or squeegee can be used to impregnate the fibers with the resin. The lay-up technician is responsible for controlling the amount of resin and the quality of saturation。铸件是为适当的负载下了24小时在室温下固化。五种不同成分的复合材料(0 wt % 10 wt % 20 wt %, 30 wt %,和40 wt %纤维加载)。后固化过程,测试样本是降低到所需的尺寸按单独的测试要求。

2.2。物理和机械性能

获得复合材料的理论密度的方程给出的阿加瓦尔和Broutman17]。的实际实验密度复合材料是由简单的水浸技术,最后计算复合材料的体积分数。复合材料试样的拉伸试验是英斯特朗万能试验机进行使用,型号1195,十字头10毫米的速度最小⁻¹。矩形标本大小为150×10×3毫米³被用于测试。弯曲测试(三点弯曲试验)在所有复合样品进行英斯特朗1195万能试验机。每个样品的尺寸是60毫米×10毫米×4毫米。跨度40毫米和十字头10毫米/分钟的速度。夏比冲击试验标本进行使用摆锤式冲击试验机。标准样品的尺寸按ASTM D 256是64毫米×12.7毫米×3.2毫米和深度切口是10毫米。评估的拉伸、弯曲和冲击性能,五个样品进行了测试和平均值。

2.3。腐蚀试验

固体粒子冲蚀磨损试验的设置(按ASTM G76)在这项研究中的应用是有能力创造可再生的腐蚀性情况评估腐蚀耐磨的复合样品准备。冲蚀试验装置用于复合样品的腐蚀测试不同的测试参数表中给出1。固体粒子冲蚀试验装置由压缩机、干燥设备,输送机带式粒子支线这有助于控制砂流的粒子,和一个大气粒子混合和加速室。压缩空气与所选范围的硅砂混合后由传送带上美联储不断加料器进入混合室,然后将混合物通过一个收敛的黄铜喷嘴的内部直径3毫米。

侵蚀的粒子影响标本可在不同的角度对腐蚀药流使用一个旋转的方向和一个可调样品持有人。粒子侵蚀的速度决定使用标准的双圆盘法(18]。在目前的研究中,pyramidal-shaped dry-silica砂的不同粒径作为侵蚀的。每个实验运行后,侵蚀样品在丙酮清洗,干5分钟,然后称重的精度±0.01毫克使用电子天平。减肥是记录为后续计算的侵蚀率。重复这个过程,直到侵蚀率达到一个恒定值称为稳态侵蚀率。

2.4。扫描电子显微镜(SEM)

标本的表面直接进行扫描电子显微镜(SEM) JEOL地产- 6480 lv。侵蚀样品安装在存根用银子过去。加强腐蚀样品的导电性,铂金的薄膜真空蒸发到他们在显微照片。

3所示。结果与讨论

3.1。纤维载荷对复合材料的物理和机械性能

密度是材料属性,这是最重要的几个重量敏感的应用程序。总是有区别的一个复合的理论和测量密度值由于空洞的存在和毛孔。能够很好的证明,空洞的存在是影响复合材料的力学性能的主要因素和空白的知识内容是可取的复合材料的质量的估计。孔隙度被确定为空洞结构内形成复合材料,和在所有复合材料通常是不可避免的一部分。开发的空白可能在混合和整合两个或两个以上的不同材料的零件。曼森et al。19)研究不同的加工和制造技术合成纤维复合材料和可观的知识已经从研究积累减少孔隙度(即一部分。,体积分数低于0.01)。相比之下,孔隙度在plant-fiber-reinforced复合材料通常是一个值得注意的贡献对整个综合卷(即重量分数40 wt %)(图2)。大孔隙含量在植物纤维增强复合材料可能是由于很多因素:(i)腔的腔的存在在植物纤维(20.),(2)复杂的复杂的植物纤维表面化学纤维/矩阵compatibilization,(3)植物纤维的异构形式和尺寸限制矩阵浸渍(21,22),(iv)植物纤维组件的包装能力低限制了最大获得纤维体积分数(23]。图2显示的影响纤维复合材料的加载空白内容。从图,很明显观察到纤维重量分数的增加复合材料的空隙度增加。然而,在进一步提高纤维的加载(> 30 wt %),复合的空隙度不断下降,而且可能有完美结合的纤维重量分数和基质材料。因此,在上述分析的基础上,清楚地表明,增加与纤维复合材料的加载空白内容继续下降。

表面硬度的复合材料被认为是最重要的一个因素控制侵蚀的抵抗。试验结果表明,纤维负载的增加,bamboo-epoxy复合材料的硬度(高压)值是改善(图3)。Oksman [24)清楚地报道,包括竹纤维环氧矩阵体内结果在改善复合材料的硬度虽然这是边际改善。这是因为硬度相对纤维体积的函数和模量25]。

随着wt %的竹纤维,bamboo-epoxy复合材料的抗拉强度降低,正如所预期的那样。一般抗拉强度取决于最薄弱的复合材料的一部分,,,环氧树脂和竹纤维之间的界面相互作用弱。因此,bamboo-epoxy复合材料的抗拉强度随越来越wt %的竹纤维。Mwaikambo Bisanda报道,涤棉织物复合材料,复合材料的抗拉强度降低和增加内容的棉布,可能是因为无效内容纤维体积分数的增加而增加(26]。然而,在整洁的环氧树脂,负载的增加线性位移。与其他类型的竹纤维复合材料相比,峰值负载和位移的失败的环氧树脂(0 wt %的纤维加载)是最低的。这种行为通常是纯环氧树脂的脆性性质。这是常见的观察热固性聚酯树脂(27,28]。

类似的观察也观察到在目前的研究工作,如图4。增加纤维的加载,空隙度增加,报道图2。然而,在40 wt %的竹纤维增强环氧树脂复合材料,孔隙量减少。同样,抗拉强度随纤维负载增大而减小。然而,在40 wt %,加载纤维抗拉强度的复合增长主要是由于更少的空白内容(图2)。抗拉强度取决于不同的纤维还可以由其他因素引起的,如纤维的长度和亲水性,以及纤维的化学性质的差异。

纤维的影响加载bamboo-epoxy挠曲强度的复合也是研究也显示了类似的观察,但略有偏差是观察到20 wt %纤维加载如图4。纤维复合材料以20 wt %的装载时,复合材料的弯曲强度增加,而且,随着纤维装载30 wt %,大幅度减少。然而,在进一步提高纤维装载40 wt %,复合显示最大挠曲强度。这种行为类似于组合除了纤维的抗拉强度的10 wt %的加载。不利,如图4的增加,弯曲强度增加了纤维装载20 wt %纤维加载。例如,抗弯强度bamboo-epoxy综合指数从137.5 MPa提高到163.8 MPa,然后从163.8 MPa下降到140.9 MPa,即30 wt %,但在进一步提高纤维加载挠曲强度从140.9 MPa提高到173.8 MPa。

根据伊斯梅尔et al。29日和姚和李30.),这种减少是由于纤维无法支持强调从聚合物矩阵和糟糕的纤维与基体之间界面结合生成部分空间生成一个弱结构材料。对于复合结构中使用的应用程序,它必须具有较高的抗弯强度,因为它是一种重要的机械性能的复合材料。

短梁剪切强度应用于叠层竹环氧复合材料的层间剪切强度(测试)来确定复合材料用不同纤维制作的装载。外加纤维加载从0 wt % 10 wt %,略有分层测试的增加,以及进一步提高纤维加载30 wt %,测试开始大幅减少,但再次与纤维的增加装载40 wt %,它显示了完全不同的行为,如图5。

减少与空洞的形成可能与矩阵通常位于复合材料的层间区域(图2)。空隙形成较高的趋势在30 wt %纤维复合加载(空隙度:1.448%)相比10 wt %竹纤维复合材料(空白内容:1.213%)。这个属性的变化可能是由于剪切应力分布不是抛物线,因此分析比传统的复杂材料强度分析。失效模式是强烈依赖于支持厚度,长度之间的比例和标准测试方法建议不同的比率根据试验材料的类型31日]。类似的观察也报道的抗拉强度,如图5。改善力学性能的改善是由于剪切强度的纤维/基体界面粘结,也同时可以改善复合材料的宏观性质。然而,复合材料的力学性能下降可以由于穷人矩阵和纤维之间的相互作用,这将使纤维的应力集中。它诱发microspaces之间的纤维和基体聚合物,结果导致大量微裂隙影响发生时,容易诱发裂纹扩展,降低复合材料的冲击强度(32,33]。这个结果证明了洋麻纤维具有较高的属性(34),可以削弱代理人比稻壳(35]。

这些复合材料的冲击强度测量,结果在图6。在这种情况下,冲击强度从0增加线性增加纤维加载wt % 20 wt %(即。,from 0.639 J to 0.666 J) and then decreases nominal amount of energy (0.639 J), but, on further increase in fiber loading, the impact strength increases gradually with the increase in impact strength (0.866 J) as shown in Figure6。

3.2。撞击角对腐蚀速率的影响

侵蚀穿涉及到几个穿机制在很大程度上是由各种参数如撞击角、冲击速度、粒子大小、粒子材料。

的角度撞击侵蚀表面的夹角和粒子的轨迹之前立即的影响。侵蚀时的情况下显示了一个最大的在低冲击角,结果表明,“韧性的侵蚀磨损模式”盛行[36,37]。相反,如果发现最大侵蚀速率在高冲击角,然后假设“脆性模式”(36,37]。bamboo-epoxy撞击角对腐蚀速率的影响的综合研究,和结果如图所示7。很明显撞击角的图有重大影响冲蚀速率和最大侵蚀发生在一个撞击60°-75°角无论纤维复合样品加载。所以穿的模式既不是韧性侵蚀模式也不是脆弱的侵蚀磨损模式,它是表现得像semiductile / semibrittle模式的腐蚀磨损。

3.3。表面形态

SEM观察结果解释结果呈现在图7对竹纤维增强环氧树脂复合材料在稳定状态下侵蚀率研究恒定影响速度45米/秒,250年侵蚀的大小μm,对峙距离65 mm的受控条件与撞击角的变化(30到90°)。图8显示表面的SEM bamboo-epoxy在各种测试条件下复合侵蚀。数据8(一个)和8 (b)显示10 wt %的bamboo-epoxy复合材料纤维载荷,考虑复合材料表现出侵蚀和材料去除过程的几个阶段。非常小的陨石坑和短裂纹在侵蚀表面的复合(图7)在30°撞击角。增加撞击到45°角在相似的操作条件下显示轻微侵蚀率增加明显从图720 wt %纤维加载。这表明起始矩阵从表面物质损失矩阵是剥落和竹纤维略下方可见基质层后干石英砂颗粒的影响如图8 (c)和8 (d)。但随着侵蚀测试进行进一步提高撞击角(60°)恒定影响速度45米/秒,250年侵蚀的大小μm,对峙距离65 mm,侵蚀表面的形态变得不同的如图8 (e)(图7)。

这类裂缝明显注意到图8 (e)和清楚地说明一个火山口形成的阵列由于物质损失和破损/ semibroken竹纤维。由于重复硬硅砂和更高的撞击角的影响,砂颗粒试图引起裂缝的矩阵的身体,随后逐渐侵蚀的进展,这些裂缝传播的纤维组织在横向和纵向的方式。但在进一步提高撞击角从60°- 75°,几乎所有的复合材料表现出最大侵蚀速率(图7)如图8 (f)30 wt %纤维加载。然而,数据的扫描电子显微镜照相术8 (g)和8 (h)显示更少的复合表面的裂缝或陨石坑在撞击角度90°侵蚀后,和矩阵删除不与其他撞击角度(数字8(一个)- - - - - -8 (f))。随着竹纤维增强环氧树脂复合材料韧性不如金属,表面显示mixed-damage流程。正如前面所讨论的韧性材料,重复的影响导致塑性变形过程和复合表面高度紧张的地区。在另一方面,对于脆性材料裂纹传播的增长对表面和十字路口一个穿粒子分离表面会导致额外的质量损失的复合。

3.4。冲击速度对腐蚀速率的影响

侵蚀性的粒子的速度对磨损过程有很强的影响。如果速度很低,那么压力发生塑性变形的影响不足和穿所得的表面疲劳。当速度增加时,有可能侵蚀材料变形可塑性对粒子的影响。在这个比赛中,影响粒子速度对腐蚀速率的影响研究,结果在图表示9。很明显的图在低冲击速度从35米/秒到45米/秒,侵蚀率变化不大(第一期)。

然而,随着冲击速度的进一步提高,侵蚀率显著增加,也就是说,55米/秒(第二阶段)。这可能是由于这样的事实,在更高的速度,影响侵蚀的发生是由于塑性变形和更多数量的材料。在冲击速度的进一步提高,所有的复合材料显示在侵蚀率逐渐增加,除了20 wt % bamboo-fiber-reinforced环氧复合材料显示了完全相反的趋势如图9。

3.5。表面形态

图10侵蚀表面的SEM观察显示为一个函数常数等操作条件下的冲击速度撞击角60°,对峙距离65 mm和250年侵蚀的大小μ分别为bamboo-epoxy m复合材料。数据10 ()和10 (b)显示相同的复合表面的显微照片(10 wt %)侵蚀的撞击角60°35米/秒的速度产生影响。矩阵覆盖纤维似乎碎裂,因此火山口形成了纤维的身体几乎完好无损。基质材料的塑性变形的迹象,当,影响在这样一个低冲击速度(35米/秒),硬侵蚀的粒子穿透表面,导致材料去除。数据10 (c)和10 (d)显示纤维由于裂缝的碎片,和多个骨折也明显的显微照片中所示类似的冲击下角(60°)。矩阵的地方去除后,纤维阵列通常暴露于腐蚀性环境。在低冲击速度(45米/秒)和撞击角(60°),表面的伤害是最小的数字10 (e)和10 (f)。随后的材料去除的速度越来越快。磨损痕迹明显可见,突出纤维基质层下见图10 (g)。破碎的纤维,如图10 (h)混合矩阵microflake碎片,损伤的复合特点是分离和超然的碎片的撞击角60°。地区由于同时形成一代的裂缝特征的脆性材料。塑料压痕的程度,但是,减少冲击的角度减少见其他显微图(数据10(我)和10 (j))。

3.6。侵蚀的大小对腐蚀速率的影响

bamboo-fiber-reinforced环氧复合材料的侵蚀率研究了不同侵蚀的大小从125μm - 350μm恒定冲击速度(45米/秒),撞击角(60°),对峙距离(65毫米),如图11。从图11,观察,侵蚀的大小从125的增加μm - 175μ米,侵蚀率几乎保持不变。

相比之下,侵蚀率增加明显在175年进一步增加侵蚀的大小μm - 275μ米,在275年进一步增加侵蚀的大小μm - 350μ米,侵蚀率开始下降。据Biswas和Satapathy38,39)和Patnaik et al。40),对玻璃纤维增强聚合物复合材料,增加侵蚀的大小,侵蚀速率逐渐增加无论纤维加载。也观察到40 wt %的竹纤维的复合加载显示大多数抗磨与20 wt %,紧随其后的是复合30 wt %, 10 wt %的竹纤维加载。

4所示。结论

这个机械和bamboo-fiber-reinforced环氧复合材料的腐蚀行为导致以下的结论。(1)适合应用的复合材料在高腐蚀的环境可以由强化的竹纤维环氧树脂。这些复合材料的腐蚀磨损性能提高显著增加的竹纤维。(2)很明显从这个研究空隙度增加而增加加载和纤维复合材料的最大30 wt %纤维加载。然而,在进一步提高纤维的加载、空隙度开始下降。作为bamboo-epoxy复合材料硬度而言,纤维负载增加,硬度增加逐渐从24.5高压37高压。(3)抗拉强度显示最大40 wt %加载其他纤维复合材料。抗拉强度取决于不同的纤维还可以由其他因素引起的,如纤维的长度和亲水性以及纤维的化学性质的差异。(4)增加纤维的弯曲强度增加装载20 wt %。例如,抗弯强度bamboo-epoxy综合指数从137.5 MPa提高到163.8 MPa,然后从163.8 MPa下降到140.9 MPa,即30 wt %,但在纤维负载,进一步提高抗弯强度从140.9 MPa提高到173.8 MPa。然而,随着层间剪切强度和拉伸模量而言,20 wt %纤维加载显示最大强度和模量。(5)在这项研究中,冲击强度的增加线性增加纤维加载从0到20 wt %,即从~0.639到0.666 J,然后降低名义的能量(0.639 J),但是,在进一步提高纤维载荷,冲击强度逐渐增加,冲击强度的增加(0.866 J)。(6)撞击角对腐蚀速率的影响研究纤维复合材料充满了不同的重量百分比的加载显示他们semibrittle自然侵蚀磨损。侵蚀率峰值发现发生在60°- 75°撞击角的复合样品在不同实验条件下不考虑纤维加载。(7)竹纤维复合材料,纤维和矩阵的严重恶化,microploughing矩阵,横向剪切、剥离,和颤动的纤维被识别出来,和复合剥离,拉和纤维断裂的特征是在竹纤维损伤。(8)可能使用这些复合材料部件,如管道携带煤尘,直升机的风机叶片,沙漠屋顶结构,工业风扇,建议低造价住宅。未来,这项研究可以扩展到新的混合复合材料使用潜在的填料,以及由此产生的实验结果可以类似地分析。(9)天然纤维作为增强聚合物复合材料的应用是减少了天然纤维的亲水特性。可怜的防潮性和润湿性差的天然纤维疏水聚合物影响纤维与基体之间结合的交互界面。因此,纤维的化学治疗可能改善竹fiber-epoxy复合材料的力学性能和耐磨性与对照组相比显著bamboo-fiber-reinforced复合材料。然而,制造技术也取决于改善物理、机械、和耐磨性。建议使用注射成型技术制造复合样品进行测试更精确,减少了人为因素的错误,如加工复合测试标本临界尺寸。

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