下面是小编为大家整理的织物加固对天然纤维复合材料强度增强影响研究进展（2022年）,供大家参考。
织物加固对天然纤维复合材料强度增强的影响研究进展
抽象 本研究的主要目的是研究增强材料对天然纤维复合材料强度的影响。天然纤维复合材料的最新进展最大限度地减少了人造纤维的使用，特别是在飞机加强筋和转子叶片等结构应用领域。然而，天然纤维强度和模量的较大变化会降低复合材料的性能，并降低结构在动态载荷下的安全水平。在不影响复合材料结构安全性的情况下，丰富天然纤维增强的强度和模量对于实时应用具有重要意义。天然纤维的强度和耐久性可以通过增强天然纤维来丰富。在编织，编织和针织形式中对天然纤维的增强作用增强了其结构性能。它改善了与短取向和随机取向纤维增强相关的天然纤维复合材料的性能。本文还综述了天然纤维与纤维素纤维、合成纤维的杂交以及层内杂交对其力学性能、动态力学性能和自由振动特性的影响，这对于预测天然纤维复合材料在动态载荷下对重量敏感的应用的寿命和性能具有重要意义。
关键字：
天然纤维复合材料; 编织天然纤维; 方向; 机械; 动态机械; 振动 1. 引言 本世纪已经看到了绿色技术方面的显着成就，特别是在材料科学领域，随着由自然资源制成的高性能材料的发展，用于各种结构，制造，生物医学，航空航天和汽车应用[1，2]。由于其天然丰富性，易于加工，设计灵活性以及制造复杂形状的可行性，天然纤维复合材料是传统材料的良好替代品。它们重量轻，对环境无害[3，4]。天然纤维的主要问题是特性和特性的变化，例如强度和模量[5]。细胞壁的纤维素组成、生长过程中的环境环境、地理因素、微纤维角度和其他因素都会影响纤维的强度[6]。天然纤维的结构如图 1 所示。天然纤维复合材料的性能取决于几个参数，例如加工技术，纤维强度，纤维与基体之间的界面粘合，增强类型，编织图案和纤维取向[7]。
图 图 1.天然纤维的结构。
在过去的二十年中，天然纤维在航空航天，海军和结构领域得到了广泛的应用[8]。天然纤维复合材料在加固筋、桁架构件、生物医疗、汽车内饰件等结构应用中的较高使用率的主要原因是，与人造复合材料相比，天然纤维复合材料具有潜在的环境、报废丢弃和健康优势[9]。此外，与天然纤维复合材料相比，人造复合材料具有高密度，价格昂贵且对环境有害[10]。作为证据，黄麻、亚麻、香蕉、大麻和剑麻等天然纤维在中低负载能力的领域已经取代了玻璃纤维、碳纤维、芳纶和硼等合成纤维[11]。Tarasen 和 Reddy [12]在几个领域建立了天然纤维（竹子和黄麻）的使用，例如纤维增强柱，特殊接头，包装材料和支柱。而且，一些天然纤维是提取纳米纤维素纤维的最佳来源。这些纳米纤维可以作为第二种增强材料添加到天然复合材料中。图 图 2 描绘了复合材料中使用的不同天然纤维，图 图 3 显示了天然纤维的分类。此外，复合材料由两个阶段组成：一个是基质相，另一个是加固阶段。强化阶段由木质纤维素组成，通常称为天然纤维复合材料。直接从生物体中提取的纤维称为天然纤维。从合成材料衍生的纤维称为合成纤维。
图 图 2.复合材料中常用的天然纤维：（a）竹（草纤维型）;（b）
香蕉（叶纤维型）;（c）
椰壳纤维（水果纤维型）;（d）
棉花（种子纤维型）;（e）
洋麻（纤维型）;（f）
亚麻（棒纤维型）;（g）
大麻（粗纤维型）;（h）
黄麻（粗纤维型）;（一 一）荨麻（草纤维型）;（j）
油棕（果纤维型）;（k）
苎麻（粗纤维型）;（l）剑麻（叶纤维型）。
图 图 3.天然纤维的分类。
强度和模量的巨大变化使 NFC 在动态负载下不兼容，并最大限度地降低了组件的安全水平。为了克服这一缺点，在聚合物基质中用 NFR 增强 NFC，以提高结构应用的强度，模量和安全性。
大多数研究人员已经开发出具有随机取向和短天然纤维的 NFC 作为聚合物基质中的增强剂，由于纤维不连续性而产生不均匀的应力分布，这进一步导致复合材料的早期失效。天然纤维的模量可以通过用天然纤维在平纹，编织和针织排列中增强它们来丰富。据观察，在篮子，平纹，污渍，斜纹等编织物中，用 NFR 以独特的图案增强的 NFC 的杨氏模量已有可观地增加。同样，与传统编织相比，编织 NRC 使黄麻纤维增强的杨氏模量富集了 30%[12，13]。Sapuan 和 Maleque [13]开发了更便宜的电话亭，使用环氧基质中的香蕉织物（编织型）。通过用黄麻纤维复合材料代替玻璃纤维，Alves 等人[14]强调了 NFC 在制造汽车引擎盖方面的优势。
用合成纤维增强 NFC 可增强其机械性能和承载能力，可用于不同的结构应用[15]。Damodaran 等人[16]应用基本的三明治模型，使用碳环氧复合材料和轻木芯材开发传统的滚筒（Chenda）。比较传统滚筒和复合滚筒的声学性能表明，三明治复合材料的高阻尼性能可以取代传统滚筒中使用的木材。基于机械性能，许多研究人员正致力于鉴定适合用于中低负载应用的纤维（植物基）[17 ，18，19，20 ，21，22，23，24]。机织物天然复合材料（WFNCs）的优势导致它们在各种结构应用中的使用增加。与随机取向和单向 NFC 相比，WFNCs 为相同数量的纤维提供了更高的刚度和强度。NFC 的断裂韧性也通过机织物的使用而得到改善。Riedel 等人研究了 WFNC 在几种结构应用中的用途，并得出结论，使用机织物可以提高复合材料刚度[25]。
本文通过改变天然纤维增强的杨氏模量对 NFC 增强进行了系统综述。对织造、编织和针织等各种工艺进行了严格的审查，涉及机械、动态机械和自由振动特性。在力学、动态力学和动态性能的背景下，进一步综述了天然纤维与合成纤维的杂交效应。此外，还讨论了由两种不同纱线纤维制成的层内编织 NFC 的制造和优势。
2. 包括短天然纤维在内的复合材料的缺点 许多研究人员已经研究了随机取向和短天然纤维作为聚合物基质中增强剂的机械，动态机械和摩擦学特性。与高密度聚合物基质中的短形增强相关的主要问题是难以实现均匀分布。它严重影响了天然纤维复合材料的优势，并使其与结构应用不相容。Almeida 等人[26]研究了椰壳纤维在聚酯基质中的机械特性，其比例高达 80 wt%的椰壳纤维。他们发现，50 重量%的复合材料表现出增强的机械性能。进一步的添加导致复合材料的强度降低，并且由于纤维和基体之间的粘接不良而降低。
与随机分布的短天然纤维相关的另一个问题是聚合物基质是团聚的，因为它会影响复合材料的性质。Joseph 等人报告了类似的问题[27]，关于剑麻/聚丙烯复合材料的机械性能。作者得出结论，纤维长度，负载和取向会影响复合材料的性能。图 图 4显示了随机取向短纤维增强复合材料的示意图。
图 图 4.随机取向短纤维复合材料的示意图。
Arib等人[28]研究了菠萝叶纤维增强聚丙烯复合材料的机械性能，发现较高的体积百分比会降低菠萝复合材料的机械性能。Shekeil 等人[29]研究了洋麻纤维-热塑性聚氨酯复合材料的机械特性与纤维重量%的函数关系。他们发现，在复合材料中添加 30重量%可增强复合材料的机械特性，并且添加更多重量会导致复合材料的模量，弯曲和拉伸强度降低。
研究人员还发现，NFR 的随机分布会影响复合材料的刚度，这是由于加载过程中界面处的应力传递不良。Idicula 等人研究了香蕉-剑麻杂交短纤维增强聚酯复合材料的动力学行为[30]。在 0.40 Vf 时，他们观察到材料损耗因子的最小峰高和最大宽度。结果表明，0.40 Vf 的复合材料具有更高的刚度和最大的能量。由于纤维分布不均匀，进一步增加基质中的纤维含量降低了其刚度。Doan 等人在黄麻纤维/聚丙烯复合材料中观察到类似的变化[31]。Pothan 等人[32]发现，40 wt%的纤维负载增强了香蕉纤维复合材料的储能模量和玻璃化转变温度。他们还观察到，高纤维负荷降低了复合材料的刚度。
Kumar 等人[33]比较了短香蕉和剑麻纤维聚酯复合材料的自由振动和阻尼行为。作者发现，长度为 4 mm 的香蕉纤维和长度为 3 mm 的剑麻纤维在 50 wt%时改善了阻尼和机械特性。对于较长的纤维长度，复合材料的阻尼性能由于团聚而降低。Tayeb [34]研究了甘蔗纤维-聚酯复合材料的摩擦学性质，发现当纤维长度从 1 到 5 mm 变化时，复合材料的磨损率降低。此外，增加纤维的长度导致复合材料的磨损速率和摩擦系数增加。较高的纤维长度增加了复合材料的无定形性质。Shalwan 和 Yousif [35]研究了基于天然纤维的聚合物复合材料的机械和摩擦学行为。他们得出的结论是，复合材料的性能受到纤维取向，纤维长度和体积分数的影响。Yusuf 等人[36]研究了油棕纤维增强聚酯复合材料的摩擦学特征，发现油棕/聚酯复合材料具有更好的耐磨性能。
从这些报道的研究结果中可以得出结论，短型天然纤维的性质取决于纤维长径比，并且通常仅观察到高达一定重量%的性能改善。与复合材料中的短而随机取向的纤维相关的主要问题是在聚合物基质中实现均匀分布[37]。此外，由于重量百分比较高，它在纤维和基体之间产生较差的连接键，从而导致较差的机械性能。
3. 编织天然纤维复合材料
为了克服具有短取向和随机取向的天然纤维的缺点，研究人员更多地关注通过结合 WNFR 来增强 NFC 在低负载和中等负载应用中的性能。由于其易于加工，制造成本低和特性的改进，普遍采用了采用 WNFR 生产 NFC 的想法。由于纤维基体粘合更强，经线和纬线之间的间隙充当聚合物基体之间的机械联锁，增加了在负载下的抗破坏能力。此外，由于在动态负载条件下的光纤拔出，故障的可能性较小/延迟。近年来，纺织行业的巨大发展促使研究人员探索改善天然纤维复合材料性能的可能性，使其适用于许多应用。如今，天然纤维以连续和编织形式使用，这进一步增加了 NFC 的固有特性。一些研究人员分析了编织图案（如平纹，斜纹，染色和篮子编织图案）对 NFC 机械性能的影响。结果显示，用 NFR 增强的 NFCs 具有改进的机械性能。John et al. [38] 和 Pothan et al. [39] 解释了各种编织结构的优点，如平原、篮子、斜纹布和缎子。在这四种图案中，平纹编织具有均匀的分布，良好的稳定性和孔隙率。连续纱线在平纹中以规则的 1x1 图案在经纱和纬线方向上移动。平纹编织的主要缺点是经纱中的卷曲较大，纬线会影响后续复合材料的性能。为了增强复合材料的性能，研究人员研究了各种编织图案，并根据平纹进行评估作为参考。Alavudeen 等人[40]测试了香蕉/洋麻纤维聚酯纤维复合材料与具有相同 wt%的随机取向纤维复合材料。与短纤维复合材料相比，他们发现编织复合材料具有更好的机械特性。因此，已经证明，与用随机分布的短天然纤维制成的复合材料相比，连续天然纤维可以提高复合材料性能。
3.1. 机械性能
天然纤维复合材料的机械性能，如冲击、弯曲和拉伸强度，受纤维在基体中的百分比、纤维强度、纤维-基体附着力、纤维取向、浓度和处理类型的影响[41，42]。钢、钛和铝以前是工程、民用、飞机和汽车应用的首选材料。另一方面，WNFR 复合材料具有良好的重量特性和体积强度，使它们成为传统材料的可行替代品，因为它们具有刚度和优异的强度[43 ，44，45]。复合领域使用的基本编织图案的示意图如图 5 所示。
图 图 5.各种编织垫的示意图：（a）平纹;（b）
篮子;（c）
斜纹布;（d）
缎子。
在一项实验研究中，Asim 等人[46]评估了三层棕榈油和编织黄麻纤维 - 环氧树脂复合材料到棕榈油 - 环氧树脂和编织黄麻 - 环氧复合材料的弯曲特性和拉伸强度。三层棕榈油和编织的黄麻纤维 - 环氧复合材料比用其他组合制成的相同复合材料具有更大的机械性能。人们还发现，纤维的种类及其杂交对复合材料特性有影响。Mwaikambo 等人研究了棉和木棉织物作为聚丙烯基质中增强组分的机械特性[47]。他们发现，在复合材料中添加织物可以增强其刚性。Sapuan 等人[48]研究了编织香蕉/环氧复合材料的机械特性，发现编织香蕉复合材料具有更高的强度和模量。Bennet 等人研究了堆垛布置对无圆柱形-椰子鞘聚酯复合材料力学性能的影响[49]。当垫纤维保持为外层并使用短纤维毡作为芯材时，可以看到最大模量。
Carmisciano 等人[50]研究了玄武岩纤维增强乙烯基酯复合材料和玻璃纤维复合材料的弯曲性能。玄武岩编织纤维复合材料的性能优于玻璃纤维复合材料。Venkateshwaran 和 Elayoperumal [51]研究了具有各种堆叠序列的编织香蕉 - 黄麻 - 环氧复合材料的机械性能。他们发现，添加黄麻纤维作为芯层可以增加复合材料的弯曲和拉伸性能，而不是单独的黄麻和香蕉复合材料。Mariatti 等人比较了短纤维增强的人造露兜树和香蕉织物复合材料的弯曲特性[52]。他们发现，在相同的体积下，机织物复合材料表现出高模量和强度。最后，Khan 等人[53]研究了无纺黄麻和平织黄麻复合材料在经纱方向上的机械特性。他们观察到，在翘曲方向上，编织垫复合材料在机械性能方面优于无纺布复合材料。
Rajesh 和 Pitchaimani [54]分析了与用随机取向的天然纤维增强的复合材料相比，编织图案对机械性能的影响。结果表明，在相同重量百分比下，编织复合材料改善了复合材料的机械性能，而随机取向 SNFR 相对失败。短形增强材料经历了较高的应力集中，因为纤维不连续性影响了纤维与基体之间的结合强度。与织物加固相比，它导致了复合材料的早期失效。纱线的个体强度和增强材料中存在的纤维量影响了复合材料的承载行为。Alavudeen 等人也进行了类似的观察[40]。他们分析了纤维强度和编织图案对聚酯复合材料力学性能的影响，并将其与随机取向复合材料进行了比较。他们发现，无论纤维强度如何，编织图案都会显着影响复合材料的强度。
图 图 5 描绘了复合领域中常用的编织图案，例如平纹、篮子、斜纹布和缎面编织。与平纹和篮筐织造相关的主要优点是纤维在纬纱和经纱方向上的均匀取向。在缎面和斜...