柔性复合材料由增强体织物和表面涂层组成,要研究其静态粘弹性一般可利用各种粘弹性本构模型。高密双轴向经编增强柔性复合材料存在非常典型的非线性、粘弹性等性能,在使用过程中会受到很多因素的影响,如环境温度、载荷水平等,从而产生应力松弛和蠕变现象。随着时间的延长,蠕变和应力松弛会破坏结构的承载能力和其他力学性能。因此,十分有必要系统地研究高密增强经编膜材的静态粘弹性行为。

当前柔性复合材料静态粘弹性的课题进展大多是探究加载负荷和环境温度等因素水平对应力松弛和蠕变行为的影响。张伍连等[1]对PVC膜材开展了不同载荷水平下的蠕变试验,采用广义Kelvin-Voigt粘弹性模型对试验数据进行了仿真,结果表明广义Kelvin元件的参数越多,拟合精度就越高。孟雷等[2,3]对织物类膜材的静态粘弹性能进行探究,考虑载荷水平的影响,利用自编程序对试验数据进行分析预测,重点探究张拉膜曲面的应力松弛行为。刘鹏飞等[4]对树脂基复合材料进行蠕变性能研究,考虑初始应力、自身分子结构、温度等因素对树脂基体的影响。同时,复合材料的蠕变性能还受纤维的性质、含量、纤维走向和荷载类型的影响。Dean等[5]发现高聚物的松弛时间较长,故改进了Burgers模型,并利用改进后的Burgers模型对聚丙烯在多轴应力加载时的非线性蠕变进行拟合仿真。Yang等[6]研究了温度、载荷水平和纳米填料的体积对纳米复合材料蠕变特性的影响,利用线性粘弹性模型拟合蠕变曲线,从中可以得到纳米复合材料的粘弹性极限。但目前的研究中增强织物大多以机织物为研究对象,对于高密经编增强织物膜材的研究相对较少。因此,研究高密双轴向经编增强膜材的粘弹性能对膜结构长期服役行为和安全性能具有重要意义。

本文对涤纶高密双轴向经编增强PVC膜材开展应力松弛和蠕变试验,使用单因素变量法探究了静态粘弹性的影响因素,即载荷水平和初始拉伸速率水平,得到松弛模量和蠕变柔量曲线,并对应力松弛和蠕变之间的相互转化关系进行了比较分析。

本文试验所采用的涤纶高密双轴向经编基布均来自常州润源纺织机械有限公司,压延材料均使用PVC薄膜,厚度为0.38 mm。本文所用的基布原料及规格如表1所示,基布经上浆压延制备出涤纶高密双轴向经编增强PVC膜材。经试验发现,以111 tex涤纶为原料的高密经编增强层压产品,在界面粘合的过程中不能产生薄膜间的自粘合。因此参考高密度机织物增强材料的加工方法,在层压之前增加底涂工艺,引入化学键可以提高柔性复合材料的层间剥离性能[7]。

具体工艺参数及方法如下:

烘焙温度为150 ℃;烘焙时间为60 s。

上浆工艺:

PVC底涂溶胶配方为:糊用聚氯乙烯树脂为100份;增塑剂为60份;稳定剂为2份;PVC粘合剂质量分数为2%～5%(PVC底涂溶胶总量的质量分数)。

复合工艺参数:

压力为3 MPa;温度为145 ℃;时间为90 s。

试验中,将糊状聚氯乙烯树脂和增塑剂按照上述比例称量并混合,用玻璃棒不停搅拌,直至成为均匀的液体,然后缓慢搅拌去除气泡。为保证粘合剂的有效性,根据配比预先添加稳定剂和PVC粘合剂,从而得到PVC底涂溶胶。采用手工涂层法制备增强膜材,方法如下:将涤纶高密双轴向经编织物平铺在干净的实验台上并压上压铁,将少量PVC底涂溶胶均匀地倒在织物一端,然后用玻璃棒快速均匀地刮过增强织物的表面,放入烘箱中进行烘烤凝固,双面上浆,织物的两面都覆上PVC膜,最后在平板硫化机上压延成型。

本文在室温(25 ℃±2 ℃)条件下对涤纶高密双轴向经编增强PVC膜材试样进行应力松弛和蠕变试验。试样规格见表2。试样尺寸为300 mm×50 mm,夹距为200 mm,上下夹头处各50 mm,具体尺寸见图1。经纬向各制备12个试样。

在拉伸速率v分别为30 mm/min、50 mm/min、100 mm/min的条件下,应力松弛试验设计了3组试样,每组包含经、纬向拉伸试样各1个;在不同的初始应力水平σ0条件下,蠕变试验设计3组试样,每组包含经、纬向拉伸试样各3个。试验中,经纬向的初始应力不能超过其断裂强力的70%,初始应力水平值的选取原则是保证蠕变应变曲线呈现在同一张图上时是尽量分离而清晰的。故经向拉伸应力选择61.04 MPa、101.73 MPa和142.42 MPa,纬向拉伸应力选择41.75 MPa、69.59 MPa和97.43 MPa。

试验仪器采用INSTRON5980型电子万能试验机,参考标准为DG/T J08-2019—2007《膜结构检测技术规程》。

应力松弛试验:按上述拉伸速率将试样拉伸到位移为10 mm处,记录此时的应变,固定应变持续21600 s。在Instron软件中导出应力σ(t)随时间t变化的原始数据,在Origin软件中绘制不同拉伸速率下涤纶高密经编增强PVC在试验条件下的21600 s内的应力松弛及模量曲线。

蠕变试验:按上述拉伸速率将试样拉伸至试验设置的初始应力水平,固定应力持续9000 s,在Instron软件中导出应变ε(t)随时间t变化的原始数据,在Origin中绘制不同拉伸速率及应力水平下涤纶高密经编增强PVC在试验条件下的9000 s内的蠕变及柔量曲线。

根据已完成的试验可知,不同拉伸速率对断裂强力有影响,因此可以进一步讨论拉伸速率水平对应力松弛的影响。图2为不同拉伸速率下膜材应力松弛曲线。

由图2能够观察到:应力随着时间的延长逐渐减小;经纬向试样的松弛曲线都存在明显的屈服拐点,曲线最后接近一条直线,说明试样在试验时长内已至稳态松弛阶段,只用1.5 h就达到了90%的松弛应力变化量。这是因为拉伸速度越快,拉伸到特定位移所需的时间越短,也就是试样在初始阶段只完成了较短时间的松弛。拉伸速率水平对涤纶高密经编PVC膜材的应力松弛行为起着一定的作用,应力松弛量与拉伸速率水平呈正比关系,且试样最终达到稳态松弛阶段所需时间也逐渐缩短,即v=30 mm/min对应的最终稳定应力值最大,而v=100 mm/min对应的最终稳定应力值最小。将试样的经纬向进行对比,发现涤纶高密经编PVC膜材经向应力松弛变化与纬向有差别。经向低速时应力松弛量较为接近,随着速度大幅增长,应力松弛量也有大幅增加;而纬向则是在低速时应力松弛量较小,随着拉伸速率的增加,应力松弛量变大且较为接近。

图3为试验设置的拉伸速率水平下的松弛模量曲线,松弛模量由Y=σ(t)/ε0即可求得,ε0是试样拉伸至10 mm时相应的应变。由图3能够观察到:松弛模量在曲线的起始部分下降非常迅速,曲线最终接近一条直线,这与松弛应力的变化曲线一致;涤纶高密增强PVC膜材经、纬向的应力松弛模量值相差较大。为反映不同拉伸速率时的应力变化,定义应力松弛率k为:

k=σ0−σfσ0×100%k=σ0-σfσ0×100% (1)

式中:σf为稳定应力值;σ0为初始应力值。研究表明,材料的抗松弛能力与松弛率k呈负相关[8]。

图3所示的拉伸速率从30 mm/min增加到100 mm/min时,可以求得经向应力松弛率和纬向松弛率,如表3所示。由此可见:随着拉伸速率增加,松弛率逐渐增加,纬向应力松弛率k在低速时的变化比经向稍快。

蠕变及其柔量随拉伸速率水平而变化的曲线绘制如图4与图5所示,蠕变柔量由J=ε(t)/σ0即可求得,σ0为初始应力,本试验中,σ0分别为61.04 MPa(经向)、41.75 MPa(纬向)。观察图4及图5可以知道:试样经、纬向的蠕变应变在曲线的起始部分变化率很大,可以对应加速蠕变过程;在之后很长一段时间里,即蠕变的主体曲线斜率为0,可以对应定常蠕变;不同速率下经向达到稳定蠕变阶段的柔量值差别较大,纬向差别不大;纬向的蠕变柔量值大于经向。

蠕变反映了高聚物的老化特性,典型的特征是应变随时间变化,因此,应重视应变率的研究。蠕变过程中的应变速率不同于其他速率相关的材料,其应变率与加载时的载荷值及整个应力加载历史相关,所以要获得某一时间段的蠕变应变增量,前一时间段的应力和应变状态的确定至关重要[9]。由此可以判断,蠕变的力学计算最大的难点是要囊括整个加载过程的应力-应变。图6和图7分别为不同载荷水平下的蠕变曲线和柔量曲线,从中可以看出:试样的蠕变柔量随时间的延长而逐渐增加,但不同初始应力的蠕变柔量曲线变化有所交叉,说明蠕变柔量和初始应力不成正比。定义蠕变伸长率δ为:

δ=εf−ε0ε0δ=εf-ε0ε0 (2)

其中:εf为稳态应变值;ε0为初始应变值。

当初始应力为61.04 MPa,拉伸速率v分别为30 mm/min、50 mm/min、100 mm/min时,经向蠕变伸长率δ分别为47.1%、46.7%、41.2%;当σ0=41.75 MPa时,纬向蠕变伸长率δ分别为55.8%、66.9%、79.1%;当v=30 mm/min,经向应力水平分别为61.04 MPa、101.73 MPa和142.42 MPa时,经向蠕变伸长率δ分别为37.3%、36.1%、33.6%;当v=30 mm/min,纬向应力水平分别为41.75 MPa、69.59 MPa和97.43 MPa时,纬向蠕变伸长率δ分别为55.8%、40.8%、20.2%。

对比发现:拉伸速率、初始应力水平均对PVC膜结构的蠕变行为存在显著影响。在取50%断裂强力作为初始载荷时,蠕变柔量曲线的斜率最大,即蠕变柔量的变化率最快。此应力水平内,应力和时间对蠕变应变有最佳的组合效应。在经向断裂强度的70%为加载负荷时,蠕变柔量最大,即此时的应变应力的比值最大,易出现蠕变现象。

随着拉伸速率的增加,经向蠕变伸长率与纬向蠕变伸长率逐渐减小,这主要与两个方向材料的编织结构有关;初始应力对蠕变过程的影响主要反映试样在最终到达稳态蠕变时的应力值,与其呈正比关系。经、纬向的蠕变规律相同,但纬向的蠕变量较经向大。原因是在织造工艺中,地组织纱线对衬经纱的作用力大于衬纬纱,继而衬经纱发生弯曲变形,所以经向膜材在蠕变开始前需要先恢复伸直状态才可以承受应力[10]。

应力松弛和蠕变在成形本质上是相互关联的。应力松弛可以作为一种特殊形式的蠕变,在极短的单位时间里做蠕变叠加[11]。如果能够利用这种相关性,建立一套可以实现两者转换关系的通用方法,就可以很方便地获取不同载荷条件下的蠕变行为,将会有助于缩短试验过程,节省大量的人力、物力和时间成本,经济效益将得到大幅提高,因此研究松弛和蠕变的转换关系存在很高的实用价值。材料的蠕变行为的先决条件是应力水平不发生变化,而应力松弛现象发生的条件是变形量恒定,材料内部发生弹性变形向塑性变形的阶段性转换,这是两者的本质区别。根据研究[12],一般情况下应力松弛现象发生的原因是材料内部一部分弹性变形转化成塑性变形,导致弹性力减少。

材料的应变可表示为:

εe+ε=σE+εεe+ε=σE+ε (3)

其中:ε0为初始应变;εe为弹性应变;ε为蠕变应变。

对式(3)进行微分,即可得松弛蠕变速率为:

ε′=σ′/E (4)

其中:σ′为应力松弛速率;ε′为松弛蠕变速率;E为弹性模量,即E=σ0/ε0,也称初始模量。

对式(3)进行化简变形,能够得出如下关系式:

ε=ε0−εe=σ0E−σEε=ε0-εe=σ0E-σE (5)

进而根据蠕变速率达到稳态时的线性特性,可以推出蠕变时间的表达式:

t=ε/ε′ (6)

由上述理论推导和试验可以证实,松弛模量和蠕变柔量两者可以互相转换,目前研究中也提出了针对金属材料的多种转换方式[13,14],本文利用式(5)绘制拉伸速率水平分别为30 mm/min和50 mm/min时由经验公式转化的蠕变曲线,将其和实际曲线进行对照,如图8所示。

从图8可以观察到:理论公式计算值和实际值相差很大,偏差接近57%。这是因为:一是并未考虑时效热处理共同作用对转换关系的影响[15];二是在应力松弛的初始阶段,应力松弛速率很大,并不能简单地当作多个极小单元时间段蠕变的叠加;三是材料复合以及试样制备的各个过程均为人工操作,存在一定的误差。因此,单纯利用经验公式并不能实现应力松弛和蠕变数据之间的转换。

本文对涤纶高密双轴向经编增强PVC膜材进行单轴应力松弛和蠕变试验,考虑初始拉伸速率、初始应力等参数对膜材黏弹性性能的影响,得到如下结论:

(1)涤纶高密双轴向经编增强PVC膜材的粘弹性性能明显,应力随着时间的延长逐渐减小;经纬向试样的松弛曲线都存在明显的屈服拐点,曲线最后接近一条直线,说明试样在试验时长内至稳态松弛阶段;拉伸速率水平对涤纶高密经编PVC膜材的应力松弛行为起着一定的作用,应力松弛量与拉伸速率水平呈现正比关系,且试样最终达到稳态松弛阶段所需时间也逐渐缩短;

(2)不同速率下经向达到稳定蠕变阶段的柔量值差别较大,纬向差别不大;纬向的蠕变柔量值大于经向;试样的蠕变柔量随着时间的延长逐渐增加,但不同初始应力的蠕变柔量曲线变化有所交叉,说明蠕变柔量并非和初始应力呈正相关;初始应力对蠕变过程的影响主要反映试样在最终到达稳态蠕变时的应力值,与其呈正比关系;

(3)应力松弛-蠕变转化关系中运用公式对应力松弛和蠕变转化的结果与实际蠕变曲线不符,所以经验公式不能作为松弛和蠕变转换关系的方法,原因之一是在应力松弛的初始阶段,应力松弛速率很大,并不能简单地当作多个极小单元时间段蠕变的叠加。