答辩博士：张卫星
指导老师：何春霞教授
论文题目：黄麻-谷物壳夹芯复合材料的制备及弯曲蠕变性能研究
答辩委员会：
主席：
康敏教授/博导 皇冠
委员：
梅长彤教授/博导 南京林业大学
方海教授/博导 南京工业大学
方真教授/博导 皇冠
陈坤杰教授/博导 皇冠
秘书：
戴芸助理研究员 皇冠
答辩时间：2024年5月13日15时40分
答辩地点：浦口校区育贤楼C402
论文简介：
夹芯复合材料由于重量轻、刚度高，目前广泛应用于航空航天和汽车工业等领域，然而传统夹芯复合材料通常是由合成纤维复合材料面板和低密度泡沫或金属合金蜂窝芯材构成。合成纤维是不可再生资源，它们的生产通常会排放大量温室气体，导致全球气候变暖。此外，它们的回收再利用是非常困难的，通常是被送往垃圾填埋场进行填埋处理。农业生物质材料是可再生材料，与合成纤维相比具有经济、生态环境等优势。因此，将农业生物质材料与夹芯复合材料结合起来，拓宽夹芯复合材料应用领域的同时，可以减少石油基塑料废弃物的产生以及提高可再生资源的使用效率，对缓解塑料废弃物堆积造成的环境压力，实现绿色可持续和推动农业工程领域的发展具有重要意义。本文采用黄麻织物增强聚乳酸复合材料作为面板，以谷物壳/生物胶生物质材料作为芯材，以木薯淀粉基胶粘剂作为胶层材料，将试验设计、理论分析以及有限元模拟相结合，采用手工铺层方法进行新型夹芯结构生物质复合材料的设计与制备，为植物纤维和谷物壳在新型夹芯结构生物质复合材料的研究中提供理论基础和数据支撑。主要内容归纳如下：
(1)黄麻织物增强聚乳酸面板制备与性能研究。首先，采用红外光谱(FTIR)、热重分析(TG-DTG)、力学性能测试等方法研究了黄麻织物的理化性质及黄麻织物增强聚乳酸复合材料面板的力学性能。FTIR结果表明，水热处理和碱处理均能够有效去除黄麻织物表面杂质以及部分木质素和半纤维素。TG-DTG结果表明，黄麻纤维在220~400 °C的温度范围内热解质量最大，随着升温速率的增加，不同预处理黄麻纤维的T0、Tp和Tf均出现不同程度地增大，水热处理黄麻纤维的T0、Tp和Tf温度均高于相应未处理黄麻纤维，而碱处理黄麻纤维均要低于未处理黄麻纤维。力学性能测试结果表明，当铺层角度为0°，铺层数目为2，纤维含量为50 wt.%时，水热处理黄麻织物增强聚乳酸面板的拉伸强度和弯曲强度较未处理黄麻织物增强聚乳酸面板分别提升了25.81%和14.42%，而碱处理黄麻织物增强聚乳酸面板的拉伸与弯曲强度较未处理黄麻织物增强聚乳酸面板和水热处理黄麻织物增强聚乳酸面板均出现不同程度的下降。接着，采用响应曲面方法分别建立了水热处理黄麻织物增强聚乳酸面板强度(拉伸强度和弯曲强度)与设计变量(铺层角度、铺层数目以及纤维含量)之间的二次回归预测模型，研究结果表明拉伸强度随铺层角度的增加呈现迅速减小趋势，拉伸强度随纤维含量的增加先增大后减少，且变化幅度较为平缓，当铺层角度恒定不变时，弯曲强度随着铺层数目的增加而缓慢增大。最后，采用RSM中的期望函数以及带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行双目标(拉伸强度和弯曲强度)优化，结果表明，由期望函数得到的优选参数为：铺层角度0°、铺层数目2层以及纤维含量45 wt.%，相应优选参数下制备的试件的平均拉伸强度为34.32 MPa，弯曲强度为82.12 MPa；由NSGA-Ⅱ算法得到Pareto最优解集，最终选择的优选参数为：铺层角度0°、铺层数目2层以及纤维含量45 wt.%，基于期望函数与NSGA-II算法两种方法获得的优化方案可以相互验证，进一步突出计算结果的准确性。
(2)谷物壳/明胶芯层制备与性能研究。首先，采用红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析对谷物壳原材料水热处理前后的理化性质进行研究。FTIR结果表明，水热处理破坏了稻壳表面部分蜡质-硅化保护层，导致羟基含量增多，亲水性增加，而小米壳和高粱壳在水热处理后，羟基含量减少，亲水性降低，因而导致吸湿率降低。采用Kissinger和OFW法对稻壳、小米壳和高粱壳原材料水热处理前后的表观活化能进行计算，以Kissinger方法为例，水热处理稻壳、小米壳和高粱壳的表观活化能分别为179.70 kJ/mol、177.23 kJ/mol和174.40 kJ/mol，比相应未处理时分别提高了115.47%、14.94%和15.07%。将水热处理谷物壳与明胶复合制备生物质材料，并对其进行表观密度、吸湿性能、导热性能和压缩性能研究。结果表明，HMH/G的表观密度最大，为351.25 kg/m3，HSH/G的表观密度次之，为317.55 kg/m3，HRH/G的表观密度最小，为213.96 kg/m3。谷物壳/明胶生物质材料的平衡吸湿率随表观密度的增加呈上升趋势，其中HMH/G的平衡吸湿率最大，为17.86%，HSH/G的平衡吸湿率次之，为16.96%，HRH/G的平衡吸湿率最小，为15.08%。谷物壳/明胶生物质材料均为隔热材料，其中HRH/G的导热系数最小，为0.027 W·m-1·K-1，HSH/G的导热系数次之，为0.045 W·m-1·K-1，HMH/G的导热系数最大，为0.050 W·m-1·K-1。水热处理谷物壳/明胶生物质材料的压缩性能优于未处理谷物壳/明胶生物质材料，其中HSH/G的比强度最大，为2.55 kNm/kg，HRH/G次之，为2.38 kNm/kg，HMH/G最小，为2.05 kNm/kg；HRH/G的比吸收能最大，为122.38 J/kg，HSH/G次之，为119.28 J/kg，HMH/G最小，为77.73 J/kg。
(3)木薯淀粉基胶粘剂胶层制备与性能研究。首先，采用三因素三水平正交试验设计研究了淀粉含量、NaOH含量以及反应温度三种因素对胶粘剂剪切强度的影响，基于极差(ANORA)与方差(ANOVA)分析，获得三个试验变量的最优组合和影响程度。结果表明，基于正交试验设计的优化条件(基础配方)为淀粉含量40% (w/v)，NaOH含量8% (w/w)，反应温度80℃，对应剪切强度试验值为0.88 MPa。各试验变量对剪切强度影响顺序和贡献率依次为淀粉含量(55.45%)、NaOH含量(26.73%)以及反应温度(16.83%)。在基础配方的基础上，进一步研究了去离子水与淀粉质量比对淀粉胶粘剂剪切强度、固含量和粘度的影响。结果表明，随着去离子水与淀粉质量比不断增加，胶粘剂的剪切强度呈先增大后减小趋势，而固含量和粘度则一直呈减小趋势，当去离子水与淀粉质量比为6:1时，胶粘剂的剪切性能最优，比基础配方增加了52.27%；接着在此基础上进一步研究了蒙脱土含量对淀粉胶粘剂的剪切强度、固含量和粘度的影响，结果表明，随着Na-MMT含量的增加，胶粘剂剪切强度出现先增大后减小趋势，当添加量为3wt.%时达到最大，比Control胶粘剂增加了145.45%，获得最佳配方为木薯淀粉40 g，NaOH 3.2 g，去离子水240 ml(g)，Na-MMT含量1.2 g，反应温度80℃。FTIR分析结果表明，淀粉羟基与Na-MMT表面活性羟基基团发生了氢键相互作用。木薯淀粉基胶粘剂中含有丰富的碳、氧官能团，与胶粘剂(L9和6:1)相比，添加了3wt.% Na-MMT的胶粘剂的残余质量较多，且T0、Tp和Tf均高于前者，热稳定性最好。
(4)夹芯结构生物质复合材料的弯曲性能研究。以黄麻织物增强聚乳酸复合材料为面板，以谷物壳/明胶生物质材料为芯层，以木薯淀粉基胶粘剂为胶层，通过手工铺层的方法制备新型夹芯结构生物质复合材料，首先对不同芯材种类、芯材厚度以及面板厚度的小型夹芯结构试件进行了三点弯曲试验研究，获得了试件的载荷-挠度曲线、极限荷载、载荷质量比和失效模式，同时计算得到了初始刚度、抗弯刚度、剪切刚度、芯层剪切模量、芯层剪切应力以及面板正应力。结果表明，三种谷物壳夹芯结构的主要破坏模式有芯层剪切破坏、分层破坏和压痕破坏，极限载荷、初始刚度、抗弯刚度和剪切刚度均随着芯层和面板厚度的增加而逐渐增大，而芯层剪切模量随着芯层厚度的增加而减小，随着面板厚度的增加而增大。载荷质量比均随着芯层厚度的增加而降低，而随着面板厚度的增加而增大，三种谷物壳夹芯结构的最大载荷质量比分别为J2RC10 (21.44 N/g)、J2MC10 (16.63 N/g)和J2SC10 (18.8 N/g)。J2RC10的抗弯刚度、剪切刚度、剪切模量和剪切应力分别为2.51 N·m2、8.79 kN、22.08 MPa和0.47 MPa；J2MC10的抗弯刚度、剪切刚度、剪切模量和剪切应力分别为2.53 N·m2、15.26 kN、38.93 MPa和0.47 MPa；J2SC10的抗弯刚度、剪切刚度、剪切模量和剪切应力分别为2.49 N·m2、12.23 kN、32.17 MPa和0.50 MPa。采用ABAQUS有限元软件对夹芯结构建立数值仿真模型，系统研究不同芯层和面板厚度下芯层的挠度(U2)、水平拉压应力S11以及剪切应力S12分布变化规律。结果表明，芯层上半部分受压明显，而下半部分受拉明显，且均沿压头中心位置呈左右轴对称分布。剪应力呈中心对称分布，且在位于压头与两底座之间约45°方向上承受了比较大的剪应力。不同芯层和面板厚度的挠度分布规律基本一致，下表面挠度随着芯层和面板厚度的增加呈现逐渐减小趋势，最大挠度均出现在芯层中心位置。接着，以极限载荷和初始刚度均较好而质量较大的试件为例，对芯层进行开孔(圆孔)，采用试验和有限元方法进一步研究开孔大小和数目等条件对夹芯结构弯曲性能的影响。试验结果表明，开孔直径和数目均对开孔试件的极限载荷和初始刚度具有较大影响，尤其是随着开孔数目的增加，极限载荷和初始刚度下降幅度更大。由ABAQUS有限元分析结果可知，随着开孔直径和数目的增大，试件在相同载荷下所承受的剪力变大，尤其是在开孔数目增加时，孔洞周围的最大应力增加幅度更加明显，更容易引起芯层剪切破坏，使得夹芯结构承载能力迅速降低。最后，同样以极限载荷和初始刚度均较好而质量较大的试件为例，建立了梯形波纹夹芯板有限元模型，探究了梯形波纹角度和芯层腹板厚度对夹芯板承载力和初始刚度的影响。结果表明，随着梯形波纹角度的逐渐增大，承载力呈逐渐增加的趋势，芯层的最大剪切应力S12呈逐渐减少的趋势。而随着芯层腹板厚度的增加，承载力虽也会有明显的上升，但发生承载力瞬间下降的可能性越大。
(5)夹芯结构生物质复合材料弯曲蠕变试验研究。为研究夹芯结构生物质复合材料弯曲蠕变性能，对三种夹芯结构试件在20%、30%和40%载荷水平下进行了短期弯曲蠕变试验，采用Burger和Findley两种不同的模型来拟合试验数据，并给出了各自模型的一般蠕变方程。试验结果表明，夹芯结构在持续弯曲载荷作用下，在载荷水平40%以内材料的蠕变变形发展稳定，不会发生承载力破坏，且基本呈现线性粘弹性。在相同载荷水平下，试件J2RC10的初始静挠度、蠕变挠度和总挠度均最大，J2SC10次之，J2MC10最小；当载荷水平在20%~40%范围内时，各试件在4 h时的相对蠕变系数接近，试件J2RC10、J2MC10和J2SC10的平均相对蠕变系数大小顺序依次为：J2RC10> J2SC10> J2MC10，这表明试件J2MC10的抗蠕变性能最强，J2SC10次之，J2RC10最弱。Burger模型和Findley模型对20%、30%和40%三个载荷水平下谷物壳夹芯结构4 h总挠度值的拟合结果均较好，调整决定系数Adj.R2均在0.98以上。模型对各试件的初始静挠度拟合值与试验值的最大误差不超过3%。此外，成功地建立了每种试件的Burger和Findley一般蠕变方程，结果表明，Findley一般蠕变方程适用于试件的长期蠕变行为预测，而Burger一般蠕变方程预测结果较保守。
主要创新点如下：
(1)采用黄麻织物增强聚乳酸复合材料作为面板，谷物壳/明胶材料作为芯层，木薯淀粉基胶粘剂作为胶层成功制备出新型夹芯结构生物质复合材料，在材料制备过程中充分利用农业废弃物资源，最大限度地减少使用合成与有害材料。
(2)研究了新型夹芯结构生物质复合材料在不同芯层种类、芯层厚度及几何形状(实体、开孔以及波纹结构)等条件下的极限载荷、失效模式和抗弯性能，并通过简化面板、芯层和胶层的本构方程，建立了夹芯结构的三点弯曲有限元模型，揭示了不同结构参数下的应力与变形分布规律，并比较了三种芯层构型的优劣。
(3)研究了新型夹芯结构生物质复合材料的蠕变性能，将传统蠕变经验模型(Findley、Norton-Bailey等)迁移到新型夹芯结构生物质复合材料研究中，并在此基础上导出蠕变方程用来预测蠕变响应，预测模型与试验结果相吻合。
