天然纤维复合材料性能表征及其在座椅上的应用

在汽车工业中，诸如天然纤维增强热塑性复合材料的生物材料已经被应用于汽车部件的制造。比如高尔夫VII车型的内饰板就采用了天然纤维材料。但由于强度的限制，天然纤维复合材料只用于室内装饰。为了进一步扩大天然纤维复合材料在汽车结构件中的应用，本文研究开发了玻璃纤维和亚麻纤维混杂增强聚丙烯复合材料。采用新材料对复合材料座椅骨架进行了优化，并通过有限元仿真对复合材料座椅的力学性能和碰撞安全性进行了测试和表征。1.天然纤维增强复合材料在纤维增强复合材料的制造中，材料的选择和复合工艺更为关键。本研究选用天然纤维和玻璃纤维的双向混合机织物作为增强体，通过加压浸渍树脂，最后切割成一定尺寸的半成品。然后在成型模具中加热半成品以熔化树脂，然后注射短纤维增强PP树脂并包覆成型。具体成型工艺如图1所示。

2.热性能分析在制造过程中，为了实现增强材料的均匀浸渍，工艺温度的设定非常重要。一方面，温度需要高于PP树脂的熔融温度；另一方面，由于天然纤维的热稳定性低，温度不能设置得太高。亚麻纤维主要由纤维素和生物质(如半纤维素、木质素、果胶等)组成。).通过TGA测试和分析热性能，结果显示在图2中。从图中可以看出，考虑到回收PP材料的熔点和亚麻纤维的热分解温度，工艺温度选择在180℃-190℃。

3.力学性能分析本研究所用的增强材料是亚麻纤维和玻璃纤维的混纺织物，聚合物基体是低粘度低熔点的聚丙烯树脂。其中，聚丙烯树脂的润湿性是通过添加脱模剂、润滑剂和偶联剂来改善的。单纤维测试复合材料的力学性能主要取决于纤维材料的特性。为了增加复合材料中纤维的体积分数，纤维的细度和与树脂的结合方式更为重要。玻璃纤维吸湿性较差，而亚麻纤维由于亲水基团较多，表现出较高的吸湿性。在实验中，选取了50个相同细度的亚麻纤维样品和50个相同细度的玻璃纤维样品，按照DIN EN ISO 5079标准进行拉伸试验。结果如图3所示。

从图中可以看出，亚麻纤维的拉伸模量低于玻璃纤维；普通亚麻纤维的应变与干亚麻纤维相似；然而，玻璃纤维显示出高应变，达到3%。有机片材半成品的性能测试有机片材半成品由混合纤维织物和PP树脂基体组成，纤维材料的体积分数为52%。为了评估这种生物复合材料的拉伸性能，拉伸试验在经向(0°)和纬向(90°)进行，结果如图4所示。结果表明，虽然回收塑料容易发生分子降解，导致力学性能下降，但含有回收PP的有机片材表现出较高的拉伸模量。

应变率特性分析图5显示了有机片材的拉伸试验结果。其中，图A为玻璃纤维增强PP有机片材。玻璃纤维增强复合材料的力学性能为各向同性，0°和90°试样的应力应变行为基本相同。图5b是由天然亚麻纤维和玻璃纤维增强的有机片材。从图中可以看出，拉伸初期发生弹性变形，载荷几乎呈线性增加。与PP-GF47不同，NF增强有机片材在不同方向上表现出不同的力学性能。90°方向测试的试样比0°方向测试的试样具有更高的拉伸强度，这主要是由于混合纤维的编织方向不同造成的。图6显示了NF有机芯片的失效测试结果。

4.复合材料剪切特性的表征由于有机片材的热粘弹性材料特性，其成形行为与温度和成形速度高度相关。因此，根据图7，进行了热循环力学试验。首先，通过红外加热器将有机板加热至加工温度，然后将其转移至模具。在转移过程中，材料会损失一些热量。随后，关闭模具，由于材料和模具钢之间的热传导，材料经历非等温冷却。在这个过程中，材料的冷却速度非常重要，因为基体的再结晶高度依赖于冷却速度。由于热成型过程中纤维取向的变化主要受面内剪切行为的影响，因此本研究的重点是剪切行为的表征。目前广泛使用的研究方法有两种:图片框架测验和偏向延伸测验。在本研究中，选择了偏倚扩展试验。在测试过程中，纤维方向与拉伸方向成45°，如图8所示。

因为剪切速率对热塑性基体的流动行为有重要影响，所以对褶皱的发生也有重要影响。因此，实验选择了两个恒定的剪切速率:3/s和6.43/s，速度分布如图9所示。区域c中的剪切角可以根据等式1计算。

由于热塑性PP基体的剪切刚度随着剪切速率的增加而增加，为了评价剪切角变化对剪切刚度的影响，对方程1进行了优化。假设剪切速率恒定，剪切角γ(t)随时间线性变化，如公式2所示。公式3和公式4给出了进一步的推导。

在成型过程中，在140℃-190℃范围内选择三个温度测试剪切特性，研究材料的温度依赖性。可以预见，热塑性聚合物的结晶对成型件的成型行为和力学性能有显著影响。在试验过程中，将样品固定在拉伸试验机上并加热至190℃，然后与模具接触冷却。图10显示了样品的温度变化。测试结果如图11所示。

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5.复合材料座椅的设计与仿真实验利用NF-PP org设计开发了一个座椅壳体……ic薄板，并利用有限元悬垂模拟软件PAm-Form 2017进行有限元模拟。Pam-Form用于建模整个成型过程的参数，包括模具和复合材料铺层。座椅外壳的结构设计如图12所示。

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在设计仿真的过程中，首先使用矩形有机板材，通过成形仿真，将最终零件形状的三维裁剪曲线正交投影到有机板材上，然后对板材进行裁剪。考虑重力状态的变形，模拟偏差等。，反复模拟修剪，直到最终得到所需的零件形状。优化过程如图13所示。

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6.利用Pam-Crash软件对复合材料座椅进行了碰撞仿真，并将仿真数据与实验数据进行了比较，结果如下:

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采用欧洲ECER17标准，以64 km/h的速度进行动态碰撞模拟，碰撞模拟的有效等效塑性应变如图15所示。结果表明，座椅壳体底部出现明显变形，这是假人向前运动的结果。但制造过程中形成的裂纹形成应力集中，导致最终失效。如图16所示，座椅外壳中有一个可能发生故障的关键区域。

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传统的碰撞试验各向同性模拟不足以预测成品零件的塑性应变和失效行为。为了改善结果，考虑各向异性行为是非常有前途的选择。因此，在许多领域获得了更准确的预测，而在其他领域，结果并没有改善。原因之一是实验数据的处理范围很广，有些是基于非标准化的测试方法。此外，对有机薄片的描述还没有充分研究，这给编制的材料卡的验证带来了困难。在处理实验数据和实际确定输入值方面仍有很大潜力。7.结论本研究旨在促进天然纤维复合材料在汽车结构件中的应用。为了评价复合材料的力学性能，从成型温度和应变速率方面进行了一系列表征和有限元模拟。同时，将制备的天然纤维增强复合材料用于制造汽车座椅骨架，进行了悬垂模拟和有限元模拟。结果表明，天然纤维复合材料的力学性能不能满足结构件的要求，而天然纤维和玻璃纤维增强的复合材料具有较好的力学性能，可用于汽车结构件。在汽车工业中，诸如天然纤维增强热塑性复合材料的生物材料已经被应用于汽车部件的制造。比如高尔夫VII车型的内饰板就采用了天然纤维材料。但由于强度的限制，天然纤维复合材料只用于室内装饰。为了进一步扩大天然纤维复合材料在汽车结构件中的应用，本文研究开发了玻璃纤维和亚麻纤维混杂增强聚丙烯复合材料。采用新材料对复合材料座椅骨架进行了优化，并通过有限元仿真对复合材料座椅的力学性能和碰撞安全性进行了测试和表征。1.天然纤维增强复合材料在纤维增强复合材料的制造中，材料的选择和复合工艺更为关键。本研究选用天然纤维和玻璃纤维的双向混合机织物作为增强体，通过加压浸渍树脂，最后切割成一定尺寸的半成品。然后在成型模具中加热半成品以熔化树脂，然后注射短纤维增强PP树脂并包覆成型。具体成型工艺如图1所示。

2.制造过程中的热性能分析，载于……为了实现增强材料的均匀浸渍，工艺温度的设定非常重要。一方面，温度需要高于PP树脂的熔融温度；另一方面，由于天然纤维的热稳定性低，温度不能设置得太高。亚麻纤维主要由纤维素和生物质(如半纤维素、木质素、果胶等)组成。).通过TGA测试和分析热性能，结果显示在图2中。从图中可以看出，考虑到回收PP材料的熔点和亚麻纤维的热分解温度，工艺温度选择在180℃-190℃。

3.力学性能分析本研究所用的增强材料是亚麻纤维和玻璃纤维的混纺织物，聚合物基体是低粘度低熔点的聚丙烯树脂。其中，聚丙烯树脂的润湿性是通过添加脱模剂、润滑剂和偶联剂来改善的。单纤维测试复合材料的力学性能主要取决于纤维材料的特性。为了增加复合材料中纤维的体积分数，纤维的细度和与树脂的结合方式更为重要。玻璃纤维吸湿性较差，而亚麻纤维由于亲水基团较多，表现出较高的吸湿性。在实验中，选取了50个相同细度的亚麻纤维样品和50个相同细度的玻璃纤维样品，按照DIN EN ISO 5079标准进行拉伸试验。结果如图3所示。

从图中可以看出，亚麻纤维的拉伸模量低于玻璃纤维；普通亚麻纤维的应变与干亚麻纤维相似；然而，玻璃纤维显示出高应变，达到3%。有机片材半成品的性能测试有机片材半成品由混合纤维织物和PP树脂基体组成，纤维材料的体积分数为52%。为了评估这种生物复合材料的拉伸性能，拉伸试验在经向(0°)和纬向(90°)进行，结果如图4所示。结果表明，虽然回收塑料容易发生分子降解，导致力学性能下降，但含有回收PP的有机片材表现出较高的拉伸模量。

应变率特性分析图5显示了有机片材的拉伸试验结果。其中，图A为玻璃纤维增强PP有机片材。玻璃纤维增强复合材料的力学性能为各向同性，0°和90°试样的应力应变行为基本相同。图5b是由天然亚麻纤维和玻璃纤维增强的有机片材。从图中可以看出，拉伸初期发生弹性变形，载荷几乎呈线性增加。与PP-GF47不同，NF增强有机片材在不同方向上表现出不同的力学性能。90°方向测试的试样比0°方向测试的试样具有更高的拉伸强度，这主要是由于混合纤维的编织方向不同造成的。图6显示了NF有机芯片的失效测试结果。

4.复合材料剪切特性的表征由于有机片材的热粘弹性材料特性，其成形行为与温度和成形速度高度相关。因此，根据图7，进行了热循环力学试验。首先，通过红外加热器将有机板加热至加工温度，然后将其转移至模具。在转移过程中，材料会损失一些热量。随后，关闭模具，由于材料和模具钢之间的热传导，材料经历非等温冷却。在这个过程中，材料的冷却速度非常重要，因为基体的再结晶高度依赖于冷却速度。由于热成型过程中纤维取向的变化主要受面内剪切行为的影响，因此本研究的重点是剪切行为的表征。目前广泛使用的研究方法有两种:图片框架测验和偏向延伸测验。在本研究中，选择了偏倚扩展试验。在测试过程中，纤维方向与拉伸方向成45°，如图8所示。

因为剪切速率对热塑性基体的流动行为有重要影响，所以对褶皱的发生也有重要影响。因此，实验选择了两个恒定的剪切速率:3/s和6.43/s，速度分布如图9所示。区域c中的剪切角可以根据等式1计算。

由于热塑性PP基体的剪切刚度随着剪切速率的增加而增加，为了评价剪切角变化对剪切刚度的影响，对方程1进行了优化。假设剪切速率恒定，剪切角γ(t)随时间线性变化，如公式2所示。公式3和公式4给出了进一步的推导。

在成型过程中，在140℃-190℃范围内选择三个温度测试剪切特性，研究材料的温度依赖性。可以预见，热塑性聚合物的结晶对成型件的成型行为和力学性能有显著影响。在试验过程中，将样品固定在拉伸试验机上并加热至190℃，然后与模具接触冷却。图10显示了样品的温度变化。测试结果如图11所示。

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5.复合材料座椅的设计与仿真实验利用NF-PP org设计开发了一个座椅壳体……ic薄板，并利用有限元悬垂模拟软件PAm-Form 2017进行有限元模拟。Pam-Form用于建模整个成型过程的参数，包括模具和复合材料铺层。座椅外壳的结构设计如图12所示。

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在设计仿真的过程中，首先使用矩形有机板材，通过成形仿真，将最终零件形状的三维裁剪曲线正交投影到有机板材上，然后对板材进行裁剪。考虑重力状态的变形，模拟偏差等。，反复模拟修剪，直到最终得到所需的零件形状。优化过程如图13所示。

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6.利用Pam-Crash软件对复合材料座椅进行了碰撞仿真，并将仿真数据与实验数据进行了比较，结果如下:

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采用欧洲ECER17标准，以64 km/h的速度进行动态碰撞模拟，碰撞模拟的有效等效塑性应变如图15所示。结果表明，座椅壳体底部出现明显变形，这是假人向前运动的结果。但制造过程中形成的裂纹形成应力集中，导致最终失效。如图16所示，座椅外壳中有一个可能发生故障的关键区域。

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传统的碰撞试验各向同性模拟不足以预测成品零件的塑性应变和失效行为。为了改善结果，考虑各向异性行为是非常有前途的选择。因此，在许多领域获得了更准确的预测，而在其他领域，结果并没有改善。原因之一是实验数据的处理范围很广，有些是基于非标准化的测试方法。此外，对有机薄片的描述还没有充分研究，这给编制的材料卡的验证带来了困难。在处理实验数据和实际确定输入值方面仍有很大潜力。7.结论本研究旨在促进天然纤维复合材料在汽车结构件中的应用。为了评价复合材料的力学性能，从成型温度和应变速率方面进行了一系列表征和有限元模拟。同时，将制备的天然纤维增强复合材料用于制造汽车座椅骨架，进行了悬垂模拟和有限元模拟。结果表明，天然纤维复合材料的力学性能不能满足结构件的要求，而天然纤维和玻璃纤维增强的复合材料具有较好的力学性能，可用于汽车结构件。

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