已知復(fù)合材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們可用于制造各種產(chǎn)品，使其具有商業(yè)價(jià)值。但是，它們可能會(huì)接觸到可能導(dǎo)致老化的各種條件。老化可能導(dǎo)致復(fù)合材料變色、耐久性下降、機(jī)械性能下降和質(zhì)量下降。因此，在復(fù)合材料投入使用之前研究老化對(duì)復(fù)合材料的影響至關(guān)重要。在本研究中，制造了木質(zhì)聚酯復(fù)合材料(WPC)、黃麻聚酯復(fù)合材料(JPC)和椰殼聚酯復(fù)合材料 (CPC)，并進(jìn)行了四項(xiàng)耐候試驗(yàn)。室溫水老化試驗(yàn)、100°C水浸試驗(yàn)、暴露于外部環(huán)境和暴露于紫外線?？梢钥闯?，在室溫下進(jìn)行水老化并在 100°C 下浸泡的 CPC 樣品顯示出比 WPC 和JPC 樣品更高的吸水率，因?yàn)镃PC中的椰殼纖維在最中心區(qū)域是中空的。JPC 和 CPC 在 24 小時(shí)水老化后也變白。然而，將樣品暴露在環(huán)境中144小時(shí)后，樣品并沒有顯示出任何顯著變化。還發(fā)現(xiàn)，在QUV紫外老化試驗(yàn)箱中暴露于紫外線后，所有復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度均有所下降。此外，還使用分析技（HalphinTsai方法）和FEM分析對(duì)復(fù)合材料的機(jī)械性能進(jìn)行了建模，發(fā)現(xiàn)結(jié)果相似。
復(fù)合材料是兩種材料的組合，可以根據(jù)需要定制。 它們具有高疲勞壽命、高強(qiáng)度重量比、高比強(qiáng)度和剛度、耐用性等。因此，它們被廣泛用于制造許多現(xiàn)代產(chǎn)品，使其具有商業(yè)價(jià)值。
然而，復(fù)合材料在接觸某些條件時(shí)，如惡劣的氣候條件、暴露于紫外線輻射、吸收大量水分、暴露于酸、堿等化學(xué)物質(zhì)，可能會(huì)發(fā)生老化。 由于老化，復(fù)合材料會(huì)出現(xiàn)各種有害影響，例如耐久性和壽命降低、變色、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、硬度、復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、質(zhì)量損失等。此外，老化往往會(huì)導(dǎo)致更多 天然纖維基復(fù)合材料的危害大于人造纖維基復(fù)合材料。
天然纖維，如椰殼纖維、黃麻等，是一些最實(shí)惠的纖維，在印度大部分地區(qū)都有大量供應(yīng)。 它們主要由纖維素和木質(zhì)素組成。 它們通常用于制造布料、地毯、箱包、繩索、包裹衣服、墊子、汽車座椅等。
許多研究人員就老化對(duì)復(fù)合材料的不良影響進(jìn)行了調(diào)查并貢獻(xiàn)了他們寶貴的發(fā)現(xiàn)。Butylina 等人。研究了外部老化對(duì)木材-聚丙烯復(fù)合材料的影響。復(fù)合材料的表面變化、褪色、較高的吸濕性和卻貝沖擊強(qiáng)度的降低是研究中觀察到的各種影響。Seki等人觀察到水老化試驗(yàn)降低了黃麻聚酯復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度。破折號(hào)等人。發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度在暴露于外部老化和水時(shí)會(huì)大大降低。顏，L.等人。 發(fā)現(xiàn)亞麻-FRP復(fù)合材料的加速老化使老化復(fù)合材料的拉伸模量和強(qiáng)度分別降低了 34.9% 和 29.9%。Amaro等人研究了氫氧化鈉 (NaOH) 和鹽酸 (HCl) 等堿性和酸性溶液對(duì)玻璃/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的影響，發(fā)現(xiàn)它們會(huì)隨著暴露時(shí)間的增加而降低復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量。彭等人。表明用纖維素、木質(zhì)素和木粉增強(qiáng)的聚丙烯復(fù)合材料在暴露于紫外線老化下的表面性能，由于木質(zhì)素的存在加速了復(fù)合材料的變色并降低了彎曲性能。Vates，英國等人。進(jìn)行了一項(xiàng)研究，該研究涉及用 0%、4%、8% 和 12% 的鎳鈦諾顆粒 (NiTip) 增強(qiáng)的鋁合金金屬基復(fù)合材料復(fù)合材料。結(jié)果表明，AAMMC的表面粗糙度和硬度隨著NiTip百分比的增加而增加。這歸因于優(yōu)越的基質(zhì)-增強(qiáng)界面結(jié)合。德維等人。在他們的研究中，包括菠蘿葉纖維增強(qiáng)聚酯復(fù)合材料的老化，報(bào)告說纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中吸水是由于毛細(xì)現(xiàn)象。此外，還報(bào)道了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度降低。
在這項(xiàng)研究中，三種不同類型的復(fù)合材料，即制備了木質(zhì)聚酯復(fù)合材料 (WPC)、黃麻聚酯復(fù)合材料 (JPC) 和椰殼聚酯復(fù)合材料 (CPC) 以研究它們的力學(xué)性能。 此后，使用不同的技術(shù)研究了老化對(duì)制造的復(fù)合材料的不良影響。 此外，還開發(fā)了分析和 FEM 模型來模擬天然纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能。
2.1 材料
三種類型的復(fù)合即。本研究制備了木質(zhì)聚酯復(fù)合材料、黃麻聚酯復(fù)合材料和椰棕聚酯復(fù)合材料。聚酯樹脂用作基質(zhì)材料。聚酯樹脂購自 Carbonblack Composites, Mumbai。在制造過程中，過氧化甲乙酮 (MEKP) 用作硬化劑，鈷促進(jìn)劑用作催化劑。木屑、黃麻和椰殼纖維等增強(qiáng)材料是在當(dāng)?shù)夭少彽?。加固物在陽光下清洗和干?4 天。纖維（黃麻、椰殼纖維）被切成小塊，每塊 14 毫米。將木屑研磨并篩分以獲得更優(yōu)質(zhì)的木屑。制備用于制造過程的 MS 模具，尺寸為 140 mm x 140 mm x 5 mm，并從較大的復(fù)合板上切割樣品。復(fù)合材料是通過手工鋪層技術(shù)制造的，在固化過程中，在模具上使用了 150 公斤的重量。制造的復(fù)合材料的圖像如圖 1 所示。對(duì)于制造復(fù)合材料，15% wt。使用了部分增強(qiáng)材料（黃麻、椰殼、木屑）。
2.2. 機(jī)械測量
通過容量為100 kN 的 Universal Testing Machine UTM（型號(hào)：Hounsfield H100K-S）對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行拉伸測試。根據(jù) ISO 527 標(biāo)準(zhǔn)，試樣的尺寸為 115 mm x 10 mm x 5 mm。在將樣品暴露于 QUV紫外老化試驗(yàn)箱之前和之后都進(jìn)行了拉伸測試，使用的應(yīng)變速率為 2 mm/min。
2.3. 老化測試
2.3.1 在普通蒸餾水中進(jìn)行水老化
對(duì)于這項(xiàng)研究，制造的復(fù)合材料樣品最初在陽光下干燥 96 小時(shí)或 4 天。然后將來自每種復(fù)合材料的樣品浸入三個(gè)裝有蒸餾水的不同容器中 336 小時(shí)或 14 天。記錄每個(gè)樣品的初始重量。每24小時(shí)監(jiān)測一次樣品的重量變化和表面變化。還每24小時(shí)拍攝一次樣品的照片，以監(jiān)測表面和顏色的變化。含水量百分比 (W.C.) 使用方程式計(jì)算 (1):
2.3.2 水在沸騰溫度下老化并逐漸冷卻
對(duì)于這項(xiàng)研究，制造的復(fù)合材料樣品最初在陽光下干燥96小時(shí)或4天。取樣并測量初始重量。 然后將樣品浸入裝有 100°C 蒸餾水的容器中。9小時(shí)后取出樣品，用干凈的布擦拭，再次稱重。使用方程式計(jì)算水含量百分比 (W.C) (2):
2.3.3 暴露于外部環(huán)境
將制造的復(fù)合材料樣品放置在室外，使其容易接觸到不同的環(huán)境條件，如降雨、陽光、露水、水分等。這些樣品的重量每 24 小時(shí)在天平上記錄一次。還每24小時(shí)拍攝一次樣品照片，以監(jiān)測表面和顏色變化。
2.3.4 將樣品暴露于QUV紫外老化試驗(yàn)箱
將復(fù)合樣品暴露于 QUV紫外老化試驗(yàn)箱，該測試在ASTM G154 標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行，其中樣品在70°± 3° 黑板溫度下暴露于8小時(shí)紫外線輻射，然后在 50° ± 3°C 黑板溫度下以循環(huán)的方式冷凝 4 小時(shí)。 制造的樣品在QUV老化測試儀中暴露總時(shí)間為 500 小時(shí)（21 天）。QUV紫外老化試驗(yàn)箱通過在受控溫度下將復(fù)合材料樣品暴露在交變的紫外線和濕氣中來模擬室外耐候性。 紫外線模擬陽光和降雨的影響，而露水則通過冷凝濕氣或噴水來模擬。
2.4. 分析
對(duì) JPC 和 CPC 樣品進(jìn)行分析分析。 表1顯示了用于制造目的的天然纖維和聚酯樹脂的彈性性能。 分析分析通過稱為 Halphin-Tsai 方法的半經(jīng)驗(yàn)方法
在式（3）中，Em和E1(f)分別是基體和纖維的彈性模量，Vm和 Vf分別是基體和纖維的體積分?jǐn)?shù)。 橫向楊氏模量 E2和 E3由公式 (4) 計(jì)算得出：
在等式（4）中，ξ被稱為增強(qiáng)因子，取決于填料幾何形狀、纖維幾何形狀、加載條件。 在橫向上，對(duì)于圓形或矩形纖維，ξ給出為：
2.5. 有限元分析
在 ANSYS APDL 18 中完成了纖維復(fù)合材料的 3D FEM 建模。選擇 8 節(jié)點(diǎn) SOLID 185 作為對(duì)制造的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行建模的單元類型。 SOLID 185 單元由 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 3 個(gè)自由度
節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn) x、y 和 z 方向上的平移。 該模型在本質(zhì)上被認(rèn)為是正交各向異性的。 試樣的長、寬、厚分別為115 mm、10 mm和5 mm。 取兩個(gè)厚度為 2.5 mm 的層數(shù)，方向?yàn)?(0?/0?)。 樣品一端全方位固定； 試樣的另一端在所有方向上也固定，除了施加載荷的縱向方向。復(fù)合材料上應(yīng)用的邊界條件如圖2（a）所示，網(wǎng)格劃分如圖2（b）所示。
3.1老化測試
進(jìn)行了四種不同類型的老化試驗(yàn)，以研究各種環(huán)境對(duì)三種不同類型復(fù)合材料的影響。據(jù)觀察，除了引起復(fù)合材料可見的物理變化外，老化對(duì)復(fù)合材料的機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響。
3.1.1室溫下水老化
在室溫下將容器裝滿蒸餾水，并將制造的復(fù)合樣品浸入其中 336 小時(shí)或 14 天。每24小時(shí)計(jì)算一次吸水率。表2和圖3顯示了制造的吸水率。觀察到吸水率的變化在最初的 24 小時(shí)內(nèi)最高，然后該速率穩(wěn)步增加到飽和點(diǎn)。
CPC 樣品的吸水率最高，其次是 JPC 和 WPC。CPC和JPC吸水率較高的原因可以解釋為椰殼纖維和黃麻纖維本質(zhì)上是親水的，即它們具有吸水的趨勢。此外，椰殼纖維和黃麻纖維是纖維素基纖維，具有可以容納水的中空中心區(qū)域。因此，CPC和JPC的吸水率較高。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合材料表面有輕微損壞，但WPC的情況并非如此。對(duì)于CPC和JPC樣品，觀察到輕微的白色物質(zhì)沉積，但是，沒有觀察到樣品尺寸的明顯變化。Devi 等人報(bào)道了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中水的吸收是由于毛細(xì)現(xiàn)象。據(jù)報(bào)道，這些纖維會(huì)隨著吸水而膨脹（隨著纖維負(fù)載的增加而增加重量），從而導(dǎo)致分層和脫粘。
圖 4(a) 和 4(b) 顯示了WPC 樣品在蒸餾水中老化 14 天前后的情況?？梢郧宄乜闯?，水老化后沒有可見的尺寸變化。在JPC樣品的情況下（圖 4(c) 和 4(d)），觀察到在水老化時(shí)復(fù)合材料上有輕微的白色沉積物。然而，對(duì)于CPC樣品（圖 4(e) 和 4(f)），會(huì)發(fā)生白色材料的大量沉積。還可以看到纖維在某些區(qū)域從層壓板中出來，同時(shí)在某些區(qū)域有些膨脹。
3.1.2水在沸騰溫度下老化并逐漸冷卻
為研究濕熱環(huán)境條件對(duì)復(fù)合樣品的影響，對(duì)復(fù)合樣品進(jìn)行沸水老化試驗(yàn)。該測試在100°C的蒸餾水中進(jìn)行9小時(shí)，并讓樣品逐漸冷卻。
圖 5(a) 和 5(b) 顯示了在沸騰溫度下暴露于水老化之前和之后的 WPC 樣品。 觀察到測試結(jié)束后的樣品顯示出表面損壞。 還觀察到木材聚酯復(fù)合材料樣品的膨脹。圖 5(c)、5(d)、5(e) 和 5(f) 分別顯示了在沸騰溫度下暴露于水老化9小時(shí)之前和之后的 JPC 和 CPC 樣品。 可以看出，暴露期結(jié)束后的樣品顯示出表面損傷，并在表面出現(xiàn)腫脹和白色粉末沉積。
表 3 顯示了復(fù)合材料樣品在沸水中浸泡時(shí)的吸水率?？梢钥闯?，在這種情況下，椰殼聚酯復(fù)合材料的吸水率最高，其次是黃麻聚酯復(fù)合材料和木材聚酯復(fù)合材料，但與普通水不同，浸入沸水中的樣品的吸水率相對(duì)較高。
3.1.3環(huán)境老化
為了研究環(huán)境老化對(duì)制備的復(fù)合材料的影響，將樣品放置在室外可以適當(dāng)暴露于陽光、降雨、濕氣、露水等的區(qū)域。在環(huán)境老化144小時(shí)后，復(fù)合樣品未觀察到顯著變化。 這可能是因?yàn)樾枰L的時(shí)間才能正確記錄環(huán)境對(duì)樣品的影響。
3.1.4 QUV老化前的拉伸強(qiáng)度
對(duì) JPC、CPC 和 WPC 的制造樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以研究它們的機(jī)械性能。 表5顯示了拉伸試驗(yàn)的結(jié)果。可以看出，JPC 的拉伸強(qiáng)度最大，其次是CPC和WPC。 JPC和CPC都是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，具有更強(qiáng)的韌性，能夠承受纖維方向的最大載荷，從而提高復(fù)合材料的性能。 然而，WPC的情況并非如此，因?yàn)樗且环N顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，主要取決于顆粒-基體邊界處的界面粘附力。 因此，觀察到其拉伸強(qiáng)度分別低于JPC 和 CPC。
3.1.5暴露于 QUV 老化后的拉伸測試
在進(jìn)行 QUV 耐候性測試后，JPC、CPC 和 WPC 樣品再次進(jìn)行拉伸測試，以研究耐候性對(duì)機(jī)械性能的影響（參見表 6）。 結(jié)果表明，在 QUV 噴涂耐候試驗(yàn)機(jī)中連續(xù)暴露于紫外線/冷凝循環(huán) 500 小時(shí)（21 天）后，所有樣品的拉伸強(qiáng)度均有所下降。 JPC 的抗拉強(qiáng)度下降幅度最大，其次是 CPC 和 WPC。 進(jìn)行QUV 耐候試驗(yàn)后拉伸強(qiáng)度的降低可能是由于纖維的降解以及復(fù)合材料的聚酯基體的損壞。 此外，由于這種暴露，基質(zhì)和增強(qiáng)材料之間的結(jié)合也減弱了。 因此，復(fù)合材料的承載能力降低，進(jìn)而導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度（機(jī)械性能）降低。
3.2. 分析結(jié)果
制造的 2 層單纖維復(fù)合材料樣品的彈性常數(shù)，即JPC 和 CPC 采用半經(jīng)驗(yàn) Halphin-Tsai 方法計(jì)算。 下面討論了所獲得結(jié)果的細(xì)節(jié)。
3.2.1纖維負(fù)載對(duì)復(fù)合材料的影響
JPC 和 CPC 樣本的彈性常數(shù)，即縱向楊氏模量 (E1)、橫向楊氏模量 (E2、E3)、軸向剪切模量（G12，G13），橫向剪切模量（G23）和主要泊松比（g12，g13）通過Halphin-Tsai方法計(jì)算。纖維重量分?jǐn)?shù)從 15% 變化到 50%，并觀察到彈性常數(shù)的變化。從圖 6 (a-e) 中以圖形方式繪制結(jié)果。
縱向楊氏模量 E1 采用混合法則計(jì)算，其他彈性常數(shù)采用 Halphin Tsai 法計(jì)算。 可以看出，對(duì)于制造的 2 層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，彈性性能（E1、E2、E3、G12、G13、G23）隨著 JPC 和 CPC 纖維負(fù)載的增加而增加。 此外，還可以看出，黃麻聚酯復(fù)合材料的彈性常數(shù)除了主要泊松比外，都優(yōu)于椰殼聚酯復(fù)合材料。 這是因?yàn)辄S麻纖維本身具有比椰殼纖維更好的彈性特性。 因此，使用黃麻纖維代替椰殼纖維作為復(fù)合材料制造的增強(qiáng)材料將賦予復(fù)合材料更好的彈性性能。 然而，發(fā)現(xiàn)主要泊松比隨著 JPC 和 CPC 纖維重量分?jǐn)?shù)的增加而降低。
3.3. 有限元建模
JPC 和 CPC 樣品的 3D 實(shí)體模型在 ANSYS APDL 18.1 中準(zhǔn)備。試樣的尺寸是根據(jù)樣品的大小而定的。 JPC 和 CPC 樣品的拉伸試驗(yàn) FEM 模型如圖 7 (a-b) 所示。復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)（參見表6）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與ANSYS 中的 FEM 分析結(jié)果大致相似。然而，可以看到結(jié)果略有不同。變化如表7所示。
復(fù)合材料由兩種或兩種以上的材料構(gòu)成，它們的物理和化學(xué)性能比它們的任何一種構(gòu)成材料都好。因此，它們在廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。 由于在不同條件下過度使用，這些材料可能會(huì)與各種天然和人造物質(zhì)接觸，這些物質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料老化，進(jìn)而可能導(dǎo)致其降解、變色以及彈性和機(jī)械性能的進(jìn)一步惡化。
圖 6. JPC 和 CPC 彈性常數(shù)的圖形表示 (a) 縱向楊氏模量 (E1), (b) 橫向楊氏模量 (E2, E3), (c) 軸向剪切模量 (G12, G13), (d) 通過 Halphin Tsai 方法計(jì)算的橫向剪切模量 (G23) 和 (e) 主要泊松比 (g12, g13)。
在這項(xiàng)研究中，三種不同的復(fù)合材料即。制造 WPC、JPC 和 CPC，并對(duì)其進(jìn)行各種耐候試驗(yàn)，如水老化、樣品在沸水中浸泡和隨后冷卻、QUV 加速老化等，以測試它們的耐久性、壽命、機(jī)械性能的變化，并了解它們在以下條件下的行為不同的老化條件。
據(jù)觀察，復(fù)合材料的性能在老化時(shí)會(huì)降低。由于老化不良影響，如膨脹，吸水率增加，復(fù)合材料樣品中出現(xiàn)白色表面沉積。室溫水老化試驗(yàn)表明，CPC的吸水率最高，其次是JPC和WPC。此外，暴露于加速老化的樣品顯示出拉伸強(qiáng)度顯著下降，這可能是由于纖維的降解以及復(fù)合材料的聚酯基體由于暴露于加速老化而造成的損壞?；w和增強(qiáng)材料之間的結(jié)合也減弱了，因此復(fù)合材料的承載能力降低，進(jìn)而導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度（機(jī)械性能）降低。
復(fù)合材料具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此在大量產(chǎn)品的制造中都有應(yīng)用，但也有一定的局限性。復(fù)合材料暴露于某些
水老化、長時(shí)間暴露于紫外線輻射、炎熱和潮濕的環(huán)境條件等條件最終可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料表面的機(jī)械性能下降和物理損壞，從而降低使用壽命和耐久性。對(duì)復(fù)合材料不同彈性常數(shù)的分析表明，隨著復(fù)合材料纖維負(fù)載量的增加，纖維復(fù)合材料的彈性常數(shù)也隨之提高。
這可以確定，因?yàn)槔w維在制成復(fù)合材料后賦予基體材料進(jìn)一步的強(qiáng)度。黃麻的彈性性能優(yōu)于椰纖維，導(dǎo)致黃麻聚酯復(fù)合材料的彈性性能優(yōu)于椰纖維聚酯復(fù)合材料。
制造樣品的 3D FEM 模型在 ANSYS 18.1 中完成。 8 節(jié)點(diǎn) SOLID 185 由 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 3 個(gè)自由度，選擇節(jié)點(diǎn) x、y 和 z 方向的平移作為單元類型 該模型被認(rèn)為是正交各向異性的，尺寸取自根據(jù)標(biāo)本。樣品一端全方位固定；樣品的另一端也在所有方向上固定，除了施加載荷的縱向方向。有限元建模表明，該模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了令人滿意的預(yù)測。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
