防止复合层压木材出现裂缝

将抗裂增强胶与玻璃纤维相结合,提升胶黏剂的粘接强度,将可以提高复合层压桦木的断裂韧性。——HeWenchang和Philip D Evans不列颠哥伦比亚大学

Adhesive through-reinforcement in combination with glass-fibre reinforcement of adhesive bond lines has the potential to improve the fracture toughness of laminated birch wood composites. By HeWenchang and Philip D Evans, University of British Columbia

材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性,它是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。断裂韧性是一项应力指标,用于体现材料已经存在的缺陷,它也是材料重要的特性,当我们使用材料时需要着重考虑这一点,例如在要求较高的结构应用中使用复合层压材料。

复合层压材料的分层(由制造缺陷或层间残余应力等引起的复合材料铺层之间的脱黏现象)使其刚度和强度降低,从而导致结构完整性丧失。因此,提高复合材料的断裂韧性有着重要的意义,特别是将其应用于飞机建设。

现代高性能的飞机使用层压碳纤维或环氧复合材料制成,但是在要求不太苛刻的航空应用中,仍然会使用复合层压材料胶合板。

胶合板由粘合在一起的薄木单板组成,其相邻层的木纹方向相互垂直。

胶合板的胶线,以及其他复合层压木材例如单板层积材(LVL)和胶合叠层木材(glulam),通常都会有裂痕,因为木材分层而产生缺陷。因此,提升这些木材的断裂韧性也很重要。

 

复合层压材料的分层现象

复合层压材料是否容易出现分层现象取决于各种内在因素和外在因素,但胶黏剂的粘接缺少强化是薄层之间裂缝扩大的根本原因。因此,提高复合层压材料断裂韧性的有效途径便是增加胶黏剂的粘接强度。

举个例子,我们可以通过使用纤维加强胶黏剂的粘接强度,以此作为抑制裂缝张开的桥梁,防止复合层压材料出现分层现象。

后续研究同样使用了这种方法来提升材料的断裂韧性。我们在这里主要讨论另一种改善材料断裂韧性的方法,即通过改变胶黏剂的几何形状以加固多个薄层板。

这种方法类似于加强不同先进复合材料的厚度,例如三维机织、缝纫,编织,刺绣和簇绒等。

我们对多个薄层之间所使用的抗裂增强胶进行了测试,这些胶黏剂与玻璃纤维相结合以增强胶黏剂的粘接强度,从而能够提高模型中复合层压桦木的断裂韧性。

结果表明,通过引入抗裂增强胶,可以大幅度提高复合木材的断裂韧性。当我们在胶黏剂中加入玻璃纤维,更能进一步提升断裂韧性。

在复合层压桦木中应用抗裂增强胶能够迅速提升其断裂韧性。此外,使用胶黏剂时对试件的加固程度越高,其抗裂韧性也越好。

通过玻璃纤维增强胶黏剂的粘接强度也显著提高了断裂韧性。方差分析表明,使用胶黏剂粘接时,加固措施与玻璃纤维的加入对于提升断裂韧性没有明显的相互作用。

然而,在胶粘剂粘接时加入玻璃纤维更能有效地改善被加固过的复合层压桦木的断裂韧性,而不是通过控制提升材料的断裂韧性。

例如在胶黏剂粘接时,加入玻璃纤维可以提升42%的控制效果;而在被加固过的复合材料中加入玻璃纤维能够提升69%或67%的控制效果。

 

复合材料裂缝的扩大

在抗裂韧性的测试过程中可以发现,对复合桦木进行加固可以阻止其裂缝的扩大。试件的载荷-位移曲线体现了这个效果:载荷突然增大,然后缓慢增加。

在后续阶段,随着对裂缝进行加固,载荷也持续上升。在试件中,加固的程度偏低,其载荷的上升呈正弦曲线,但是加固程度偏高时,载荷正弦曲线的变化趋势趋于平缓。

试件的裂纹阻力曲线,也称为R曲线,其变化走势符合载荷-位移结果,表明了通过加固并使用改性胶黏剂可以改善试件的断裂韧性。同时,结果还表明试件的断裂韧性增加程度取决于阻止裂缝扩张的加固能力有多少。

 

扫描电子显微镜

经过机械测试后,使用电子显微镜扫描复合层压桦木表面的裂缝,可以清楚地了解加固措施、以及在胶黏剂的粘接过程中加入玻璃纤维如何提升试件的断裂韧性。这也有助于我们了解木材与聚氨酯胶粘剂的结合机理。

在复合层压桦木上使用未改性胶黏剂,其表面裂缝上的聚氨酯胶黏剂清楚可见。裂缝上残留的胶黏剂有所分裂、脱落,这也许可以增强粘结强度。

此外,我们观察到已经渗透到白桦木射线中的胶粘剂有所脱落。射线中的细胞投射出来的柱状结构有分支,其中一些分支在测试过程中已经断裂。我们还发现,胶柱的分裂、脱落以及侧向位移对桦木结构的各个层次进行了加固。

将复合材料的断裂面与含有玻璃纤维的聚氨酯胶黏剂相结合后也出现了不良问题。此外,我们还发现纤维丛脱离了断裂面。玻璃纤维在断裂表面上清晰可见,我们还可以明显地看到,在水平胶线以及可以实现加固效果的胶柱中,玻璃纤维出现脱落。

我们的研究结果证明我们的假设是正确的,即使用增强胶加固每一层薄木可以提升复合层压桦木的断裂韧性,同时,断裂韧性的提高程度取决于加固水平。

我们的研究结果还表明,玻璃纤维增强了粘接强度能够大幅度提高断裂韧性。同时,结果也暗示了两种不同类型的加固材料提高断裂韧性的效果。在粘接过程中加入玻璃纤维,可以对正在开裂的地方进行加固,同时也消耗了断裂能量。

这项研究与许多研究其他材料的结果相一致,它们之前已经检验了玻璃纤维增强与改善其他复合材料韧性的效果,例如乙烯基酯聚合物复合材料、聚丙烯复合材料和牙科复合材料。

 

射线方向

我们以前还没有研究过如何通过使用抗裂增强胶来提高复合材料的断裂韧性。因此,还不能将我们现在的研究结果与前人的相比较。

然而,试件中的胶柱在实现多次加固的同时呈放射状,且试件的木射线(木质组织的径向带状组织)有一些相似之处,它们与所设计的胶柱在同一方向上对齐。

我们使用扫描电子显微镜(SEM)获取的断裂面图像表明木射线能够对裂缝实现加固,并进行了另一项研究调查了三种硬木、软木和云杉的断裂韧性,结果显示“(实木)射线在径向方向上也有助于加固裂缝”。此外,在对硬木裂缝的测试过程中显示的载荷-位移图像与我们的研究结果也有一定的相似性。

因为,我们建议使用抗裂增强胶在裂纹尖端的后面进行加固,这样可以阻止裂缝扩大并吸收断裂能量。为了证实这一点,我们还对使用抗裂增强胶的试件进行研究,其裂纹扩张阻力曲线(R-曲线)呈波浪形。

当裂缝在胶柱中扩张时,断裂能量的“波峰”突然上升。从宏观上看,出现了跨隙效应,带有玻璃纤维的抗裂增强胶与这种效应相辅相成。这种互补效应在经过加固的试件中更为明显,可能是因为在复合层压桦木中,玻璃纤维除了能够让胶黏剂粘接沿着x-y方向对齐,同时也加强了胶柱。

桦木胶合板是用于建造木制飞机的首先材料,如上所述,在这一应用领域中,断裂韧性是复合材料的重要参考属性。然而,正如其他研究人员所指出,很少有人对像桦木这类硬木的断裂韧性进行研究。

 

使用胶黏剂粘接

复合材料的断裂韧性取决于胶黏剂与基体是否良好地粘合在一起。粘接木材涉及到很多物理化学的相互作用,包括将胶黏剂渗透到多孔微型木材结构中所形成的机械联锁。

胶粘剂渗透到木材后很容易经过其张开的毛孔(容器),在橡树这类木材中,这种现象更加显而易见。因此,对木材粘附性的研究将集中在这个问题上。

另一项研究指出,胶黏剂渗透到木射线中可能会对粘接有不利的影响,因为“径向射线会导致胶黏剂流动过多且过度渗透”。

我们使用SEM扫描了从木射线细胞中脱落出来的胶黏剂,显微照片表明,渗透到木射线中的胶黏剂位于旋切桦木单板的弦切面,且提高了木材的粘附性。

从木射线细胞中脱落出来的胶柱有侧臂,可能是因为渗透到射线细胞内腔的胶黏剂穿过孔之后进入相邻细胞的内腔,其中有一些侧臂已经断裂,这也将可能有助于提高复合材料的断裂韧性。

这一观察结果表明,胶黏剂渗透到木射线中对材料的粘合有着积极的影响,同时,我们更需要做进一步的研究,了解微型木材结构对粘结性能和硬木复合材料断裂韧性的影响。

 

总结

我们的测试结果表明,抗裂增强胶以及加入玻璃纤维可以明显地提高复合木材的断裂韧性。因此,将玻璃纤维添加到胶黏剂中是提升单板复合木质材料断裂韧性的可行之法,以符合未来的应用需求。

显而易见的是,我们的加固方法同样大幅度提高了模型中复合材料的断裂韧性,但是比起在胶黏剂粘接的过程中加入玻璃纤维,我们的方法更难以实施。

然而,这种方法却很值得借鉴,因为我们不需要提高复合材料中胶黏剂的粘合水平就可以提高材料的断裂韧性。因此,相比对单板进行精密钻孔,如果能够研究出更具有实际性的方法将很有意义。

一种方法可以是将单板(薄木)穿过带有分条刀的滚筒,正如过去我们所做的那样,“将单板用于制造胶合板时,减少旋切单板发生变形”。

另外一种提高断裂韧性的方法是,使用热塑性聚合物复合材料所制成的钉子,将复合材料固定在Z方向上。

从商业角度来看,通过使用钉子将复合层压木材粘接在一起是可行的,而且这种方法对其他类型的复合木材也同样有效。为了支持这条理论,我们在复合层压材料(Z-pinning)中自动插入细金属丝,它有效地提高了复合层压材料的断裂韧性,同时将其用于商业用途,可以提高航空和汽车复合材料的性能。

在这些应用领域中,复合材料Z-pins是由强硬的刚性材料铝合金制成的。Z-pins这种材料的属性比较理想,对它观察后我们可以发现,使用比聚氨酯胶黏剂性能更好的抗裂增强胶,能够更好地提升复合材料的断裂韧性。

 

 

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