摘要
木质复合材料格栅夹芯结构因其具有多孔的芯层结构，使其具备轻质、高强、保温、隔热、消声、防潮等多功能性的开发潜质。传统的复合材料夹芯结构多以碳纤维和玻璃纤维为增强体，伴随着资源问题和环境问题的日益凸显，开发可持续的新型结构功能材料成为近几年的研究热点之一。天然植物纤维具有较高的初始模量、较好的力学性能、资源广泛、可生物降解、可持续和价格低廉，以连续天然纤维织物增强树脂基体制备叠层复合材料具有较好的力学性能，满足复合材料格栅夹芯结构对拉伸主导型轻质材料的要求。因此，将天然纤维织物增强复合材料与木质复合材料格栅夹芯结构结合起来，拓宽复合材料夹芯结构的应用领域的同时，能够促进天然纤维的综合开发利用。 本文以黄麻织物/环氧树脂叠层复合材料为芯子，云杉为面板制备木质复合材料格栅夹芯结构。为解决黄麻纤维和树脂基体的界面相容性，选用对黄麻纤维化学成分组成（纤维素、半纤维素和木质素）引起变化的高温蒸煮碱处理和不引起变化的KH-560硅烷偶联剂处理来进行表面改性处理。借助于傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)、光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X-光电子能谱(XPS)、植物纤维成分分析法和热重分析法(TG/DTG)等表征方法，研究三种纱线密度(30/10cm、50/10cm、80/10cm)，不同浓度高温蒸煮碱处理(0％、2％、4％、6％、8％、10％)和不同KH-560硅烷偶联剂处理时间(0min、10min、30min、60min、90min、120min)对黄麻织物的化学成分组成、元素组成、结晶度、热稳定性、表面形态结构及叠层复合材料的力学性能的影响。从而得出最佳处理方式并应用到复合材料格栅夹芯结构的制备中，研究改性后纱线密度为50/10cm和80/10cm的黄麻织物对叠层复合材料和方格形格栅夹芯结构的平压性能的影响，研究三种格栅夹芯梁（方格形SSS、双十字形DCSS、单十字形CSS）的失效模式、承载能力、能量吸收等性能。 主要研究结果表明，黄麻纤维沿生长方向呈“竹节”状，横截面呈多边形，黄麻纤维中纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为53.69％、25.56％和11.1％。黄麻纤维的单细胞的细胞壁是由大分子纤维素填充在半纤维素和木质素中构成，是黄麻纤维的骨架和主要受力支撑。黄麻纤维在2400C-3950C的温度范围内降解量最大，为71.77％，黄麻纤维降解的峰值温度为365.18℃。纱线密度为80/10cm的黄麻织物增强的叠层复合材料拉伸强度和弯曲强度分别比纱线密度为30/10cm的叠层复合材料提高了29.2％和29.4％。黄麻织物的多孔性、较好的热稳定性和力学性能表明其适合用来作为木质复合材料格栅夹芯结构芯层材料的制备。 高温蒸煮碱处理能够有效去除黄麻纤维中的大部分木质素和半纤维素，改善黄麻纤维的结晶结构，当NaOH浓度为6％时，纤维素的相对含量达到最大，叠层复合材料的力学性能最为优异，其拉伸强度、拉伸弹性模量、弯曲强度和弯曲弹性模量分别比未处理的黄麻织物增强叠层复合材料分别提高37.5％、23.2％、72.3％和72.2％。NaOH溶液浓度为8％和10％时，黄麻纤维中的纤维素受损开始降解。 KH-560硅烷偶联剂成功的接枝到黄麻织物表面，FTIR检测到C-O-Si(1105cm-1)和Si-OH(986cm-1)官能团存在于被修饰的黄麻纤维表面，SEM观察到被修饰后的黄麻纤维表面裹了一层较厚的树脂，界面相容性、结晶度和热稳定得到改善，当修饰时间为60min的黄麻纤维的结晶度和晶粒尺寸最大，叠层复合材料的力学性能最好，其拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量比未处理的分别提高了42.32％、39.74％、49.43％和49.45％。热重分析表明，当KH-560修饰时间为30min和60min的叠层复合材料的残余量较多，具有较好的热稳定性。和高温蒸煮碱处理相比，KH-560处理60min的黄麻织物叠层复合材料的拉伸性能最为优异，满足以拉伸主导型复合材料夹芯结构的设计要求，硅烷偶联剂处理不产生废液，比较环保，对黄麻纤维本身也没有损伤，处理过程更简单有效，因此以KH-560接枝处理应用到格栅夹芯结构的制备中。 以KH-560处理的纱线密度分别为50/10cm和80/10cm黄麻织物/环氧树脂叠层复合材料为芯子，云杉木材为面板的格栅夹芯结构的平压性能研究表明，纱线密度为50/10cm和80/10cm的方格形夹芯结构在最大承载力、载荷质量比和比强度相差无几，黄麻织物纱线密度为80/10cm的方格形芯子的承载能力均强于黄麻织物纱线密度为50/10cm的方格形芯子。纱线密度为80/10cm的夹芯结构的总能量吸收、比能量吸收、平均载荷和载荷效率分别比纱线密度为50/10cm的夹芯结构提高了20.3％、16.5％、23.4％和23％。方格形格栅夹芯结构的平压失效模式为面板开裂、芯子格壁屈曲、芯子格壁折断和面板断裂。 三种格栅夹芯结构（方格形SSS、双十字形DCSS和单十字形CSS）的弯曲性能研究表明，在黄麻织物上接枝KH-560提高了叠层复合材料的界面相容性和力学性能。改性叠层复合材料中硅元素含量约为未改性叠层复合材料中硅元素含量的4倍。方格形夹芯长梁的承载能力、能量吸收最为优异，方格形夹芯梁的抗弯刚度，抗剪刚度，抗剪模量和抗剪强度分别为2.10×108N·mm2、1.97×105N，143.94MPa，0.948MPa，明显高于双十字和单十字夹芯梁。DCSS短梁的荷载质量比与SSS的长梁相似，三种格栅夹芯梁的破坏模式包括芯子剪切破坏、整体剪切破坏、面板压溃、面板折断以及芯子与面板分离。
NETL