已知復合材料具有許多優(yōu)點，它們可用于制造各種產(chǎn)品，使其具有商業(yè)價值。但是，它們可能會接觸到可能導致老化的各種條件。老化可能導致復合材料變色、耐久性下降、機械性能下降和質(zhì)量下降。因此，在復合材料投入使用之前研究老化對復合材料的影響至關(guān)重要。在本研究中，制造了木質(zhì)聚酯復合材料(WPC)、黃麻聚酯復合材料(JPC)和椰殼聚酯復合材料 (CPC)，并進行了四項耐候試驗。室溫水老化試驗、100°C水浸試驗、暴露于外部環(huán)境和暴露于紫外線?？梢钥闯觯谑覝叵逻M行水老化并在 100°C 下浸泡的 CPC 樣品顯示出比 WPC 和JPC 樣品更高的吸水率，因為CPC中的椰殼纖維在最中心區(qū)域是中空的。JPC 和 CPC 在 24 小時水老化后也變白。然而，將樣品暴露在環(huán)境中144小時后，樣品并沒有顯示出任何顯著變化。還發(fā)現(xiàn)，在QUV紫外老化試驗箱中暴露于紫外線后，所有復合材料的拉伸強度均有所下降。此外，還使用分析技（HalphinTsai方法）和FEM分析對復合材料的機械性能進行了建模，發(fā)現(xiàn)結(jié)果相似。
復合材料是兩種材料的組合，可以根據(jù)需要定制。 它們具有高疲勞壽命、高強度重量比、高比強度和剛度、耐用性等。因此，它們被廣泛用于制造許多現(xiàn)代產(chǎn)品，使其具有商業(yè)價值。
然而，復合材料在接觸某些條件時，如惡劣的氣候條件、暴露于紫外線輻射、吸收大量水分、暴露于酸、堿等化學物質(zhì)，可能會發(fā)生老化。 由于老化，復合材料會出現(xiàn)各種有害影響，例如耐久性和壽命降低、變色、拉伸強度、彎曲強度、硬度、復合材料的層間剪切強度、質(zhì)量損失等。此外，老化往往會導致更多 天然纖維基復合材料的危害大于人造纖維基復合材料。
天然纖維，如椰殼纖維、黃麻等，是一些最實惠的纖維，在印度大部分地區(qū)都有大量供應。 它們主要由纖維素和木質(zhì)素組成。 它們通常用于制造布料、地毯、箱包、繩索、包裹衣服、墊子、汽車座椅等。
許多研究人員就老化對復合材料的不良影響進行了調(diào)查并貢獻了他們寶貴的發(fā)現(xiàn)。Butylina 等人。研究了外部老化對木材-聚丙烯復合材料的影響。復合材料的表面變化、褪色、較高的吸濕性和卻貝沖擊強度的降低是研究中觀察到的各種影響。Seki等人觀察到水老化試驗降低了黃麻聚酯復合材料的層間剪切強度。破折號等人。發(fā)現(xiàn)復合材料的彎曲強度，拉伸強度和層間剪切強度在暴露于外部老化和水時會大大降低。顏，L.等人。 發(fā)現(xiàn)亞麻-FRP復合材料的加速老化使老化復合材料的拉伸模量和強度分別降低了 34.9% 和 29.9%。Amaro等人研究了氫氧化鈉 (NaOH) 和鹽酸 (HCl) 等堿性和酸性溶液對玻璃/環(huán)氧樹脂復合材料的影響，發(fā)現(xiàn)它們會隨著暴露時間的增加而降低復合材料的彎曲強度和模量。彭等人。表明用纖維素、木質(zhì)素和木粉增強的聚丙烯復合材料在暴露于紫外線老化下的表面性能，由于木質(zhì)素的存在加速了復合材料的變色并降低了彎曲性能。Vates，英國等人。進行了一項研究，該研究涉及用 0%、4%、8% 和 12% 的鎳鈦諾顆粒 (NiTip) 增強的鋁合金金屬基復合材料復合材料。結(jié)果表明，AAMMC的表面粗糙度和硬度隨著NiTip百分比的增加而增加。這歸因于優(yōu)越的基質(zhì)-增強界面結(jié)合。德維等人。在他們的研究中，包括菠蘿葉纖維增強聚酯復合材料的老化，報告說纖維增強復合材料中吸水是由于毛細現(xiàn)象。此外，還報道了復合材料的拉伸強度降低。
在這項研究中，三種不同類型的復合材料，即制備了木質(zhì)聚酯復合材料 (WPC)、黃麻聚酯復合材料 (JPC) 和椰殼聚酯復合材料 (CPC) 以研究它們的力學性能。 此后，使用不同的技術(shù)研究了老化對制造的復合材料的不良影響。 此外，還開發(fā)了分析和 FEM 模型來模擬天然纖維復合材料的機械性能。
2.1 材料
三種類型的復合即。本研究制備了木質(zhì)聚酯復合材料、黃麻聚酯復合材料和椰棕聚酯復合材料。聚酯樹脂用作基質(zhì)材料。聚酯樹脂購自 Carbonblack Composites, Mumbai。在制造過程中，過氧化甲乙酮 (MEKP) 用作硬化劑，鈷促進劑用作催化劑。木屑、黃麻和椰殼纖維等增強材料是在當?shù)夭少彽?。加固物在陽光下清洗和干?4 天。纖維（黃麻、椰殼纖維）被切成小塊，每塊 14 毫米。將木屑研磨并篩分以獲得更優(yōu)質(zhì)的木屑。制備用于制造過程的 MS 模具，尺寸為 140 mm x 140 mm x 5 mm，并從較大的復合板上切割樣品。復合材料是通過手工鋪層技術(shù)制造的，在固化過程中，在模具上使用了 150 公斤的重量。制造的復合材料的圖像如圖 1 所示。對于制造復合材料，15% wt。使用了部分增強材料（黃麻、椰殼、木屑）。
2.2. 機械測量
通過容量為100 kN 的 Universal Testing Machine UTM（型號：Hounsfield H100K-S）對復合材料進行拉伸測試。根據(jù) ISO 527 標準，試樣的尺寸為 115 mm x 10 mm x 5 mm。在將樣品暴露于 QUV紫外老化試驗箱之前和之后都進行了拉伸測試，使用的應變速率為 2 mm/min。
2.3. 老化測試
2.3.1 在普通蒸餾水中進行水老化
對于這項研究，制造的復合材料樣品最初在陽光下干燥 96 小時或 4 天。然后將來自每種復合材料的樣品浸入三個裝有蒸餾水的不同容器中 336 小時或 14 天。記錄每個樣品的初始重量。每24小時監(jiān)測一次樣品的重量變化和表面變化。還每24小時拍攝一次樣品的照片，以監(jiān)測表面和顏色的變化。含水量百分比 (W.C.) 使用方程式計算 (1):
2.3.2 水在沸騰溫度下老化并逐漸冷卻
對于這項研究，制造的復合材料樣品最初在陽光下干燥96小時或4天。取樣并測量初始重量。 然后將樣品浸入裝有 100°C 蒸餾水的容器中。9小時后取出樣品，用干凈的布擦拭，再次稱重。使用方程式計算水含量百分比 (W.C) (2):
2.3.3 暴露于外部環(huán)境
將制造的復合材料樣品放置在室外，使其容易接觸到不同的環(huán)境條件，如降雨、陽光、露水、水分等。這些樣品的重量每 24 小時在天平上記錄一次。還每24小時拍攝一次樣品照片，以監(jiān)測表面和顏色變化。
2.3.4 將樣品暴露于QUV紫外老化試驗箱
將復合樣品暴露于 QUV紫外老化試驗箱，該測試在ASTM G154 標準下進行，其中樣品在70°± 3° 黑板溫度下暴露于8小時紫外線輻射，然后在 50° ± 3°C 黑板溫度下以循環(huán)的方式冷凝 4 小時。 制造的樣品在QUV老化測試儀中暴露總時間為 500 小時（21 天）。QUV紫外老化試驗箱通過在受控溫度下將復合材料樣品暴露在交變的紫外線和濕氣中來模擬室外耐候性。 紫外線模擬陽光和降雨的影響，而露水則通過冷凝濕氣或噴水來模擬。
2.4. 分析
對 JPC 和 CPC 樣品進行分析分析。 表1顯示了用于制造目的的天然纖維和聚酯樹脂的彈性性能。 分析分析通過稱為 Halphin-Tsai 方法的半經(jīng)驗方法
在式（3）中，Em和E1(f)分別是基體和纖維的彈性模量，Vm和 Vf分別是基體和纖維的體積分數(shù)。 橫向楊氏模量 E2和 E3由公式 (4) 計算得出：
在等式（4）中，ξ被稱為增強因子，取決于填料幾何形狀、纖維幾何形狀、加載條件。 在橫向上，對于圓形或矩形纖維，ξ給出為：
2.5. 有限元分析
在 ANSYS APDL 18 中完成了纖維復合材料的 3D FEM 建模。選擇 8 節(jié)點 SOLID 185 作為對制造的纖維增強復合材料進行建模的單元類型。 SOLID 185 單元由 8 個節(jié)點定義，每個節(jié)點有 3 個自由度
節(jié)點，在節(jié)點 x、y 和 z 方向上的平移。 該模型在本質(zhì)上被認為是正交各向異性的。 試樣的長、寬、厚分別為115 mm、10 mm和5 mm。 取兩個厚度為 2.5 mm 的層數(shù)，方向為 (0?/0?)。 樣品一端全方位固定； 試樣的另一端在所有方向上也固定，除了施加載荷的縱向方向。復合材料上應用的邊界條件如圖2（a）所示，網(wǎng)格劃分如圖2（b）所示。
3.1老化測試
進行了四種不同類型的老化試驗，以研究各種環(huán)境對三種不同類型復合材料的影響。據(jù)觀察，除了引起復合材料可見的物理變化外，老化對復合材料的機械性能產(chǎn)生不利影響。
3.1.1室溫下水老化
在室溫下將容器裝滿蒸餾水，并將制造的復合樣品浸入其中 336 小時或 14 天。每24小時計算一次吸水率。表2和圖3顯示了制造的吸水率。觀察到吸水率的變化在最初的 24 小時內(nèi)最高，然后該速率穩(wěn)步增加到飽和點。
CPC 樣品的吸水率最高，其次是 JPC 和 WPC。CPC和JPC吸水率較高的原因可以解釋為椰殼纖維和黃麻纖維本質(zhì)上是親水的，即它們具有吸水的趨勢。此外，椰殼纖維和黃麻纖維是纖維素基纖維，具有可以容納水的中空中心區(qū)域。因此，CPC和JPC的吸水率較高。纖維增強復合材料的復合材料表面有輕微損壞，但WPC的情況并非如此。對于CPC和JPC樣品，觀察到輕微的白色物質(zhì)沉積，但是，沒有觀察到樣品尺寸的明顯變化。Devi 等人報道了纖維增強復合材料中水的吸收是由于毛細現(xiàn)象。據(jù)報道，這些纖維會隨著吸水而膨脹（隨著纖維負載的增加而增加重量），從而導致分層和脫粘。
圖 4(a) 和 4(b) 顯示了WPC 樣品在蒸餾水中老化 14 天前后的情況?？梢郧宄乜闯?，水老化后沒有可見的尺寸變化。在JPC樣品的情況下（圖 4(c) 和 4(d)），觀察到在水老化時復合材料上有輕微的白色沉積物。然而，對于CPC樣品（圖 4(e) 和 4(f)），會發(fā)生白色材料的大量沉積。還可以看到纖維在某些區(qū)域從層壓板中出來，同時在某些區(qū)域有些膨脹。
3.1.2水在沸騰溫度下老化并逐漸冷卻
為研究濕熱環(huán)境條件對復合樣品的影響，對復合樣品進行沸水老化試驗。該測試在100°C的蒸餾水中進行9小時，并讓樣品逐漸冷卻。
圖 5(a) 和 5(b) 顯示了在沸騰溫度下暴露于水老化之前和之后的 WPC 樣品。 觀察到測試結(jié)束后的樣品顯示出表面損壞。 還觀察到木材聚酯復合材料樣品的膨脹。圖 5(c)、5(d)、5(e) 和 5(f) 分別顯示了在沸騰溫度下暴露于水老化9小時之前和之后的 JPC 和 CPC 樣品。 可以看出，暴露期結(jié)束后的樣品顯示出表面損傷，并在表面出現(xiàn)腫脹和白色粉末沉積。
表 3 顯示了復合材料樣品在沸水中浸泡時的吸水率?？梢钥闯觯谶@種情況下，椰殼聚酯復合材料的吸水率最高，其次是黃麻聚酯復合材料和木材聚酯復合材料，但與普通水不同，浸入沸水中的樣品的吸水率相對較高。
3.1.3環(huán)境老化
為了研究環(huán)境老化對制備的復合材料的影響，將樣品放置在室外可以適當暴露于陽光、降雨、濕氣、露水等的區(qū)域。在環(huán)境老化144小時后，復合樣品未觀察到顯著變化。 這可能是因為需要更長的時間才能正確記錄環(huán)境對樣品的影響。
3.1.4 QUV老化前的拉伸強度
對 JPC、CPC 和 WPC 的制造樣品進行拉伸試驗以研究它們的機械性能。 表5顯示了拉伸試驗的結(jié)果。可以看出，JPC 的拉伸強度最大，其次是CPC和WPC。 JPC和CPC都是纖維增強復合材料，具有更強的韌性，能夠承受纖維方向的最大載荷，從而提高復合材料的性能。 然而，WPC的情況并非如此，因為它是一種顆粒增強復合材料，主要取決于顆粒-基體邊界處的界面粘附力。 因此，觀察到其拉伸強度分別低于JPC 和 CPC。
3.1.5暴露于 QUV 老化后的拉伸測試
在進行 QUV 耐候性測試后，JPC、CPC 和 WPC 樣品再次進行拉伸測試，以研究耐候性對機械性能的影響（參見表 6）。 結(jié)果表明，在 QUV 噴涂耐候試驗機中連續(xù)暴露于紫外線/冷凝循環(huán) 500 小時（21 天）后，所有樣品的拉伸強度均有所下降。 JPC 的抗拉強度下降幅度最大，其次是 CPC 和 WPC。 進行QUV 耐候試驗后拉伸強度的降低可能是由于纖維的降解以及復合材料的聚酯基體的損壞。 此外，由于這種暴露，基質(zhì)和增強材料之間的結(jié)合也減弱了。 因此，復合材料的承載能力降低，進而導致拉伸強度（機械性能）降低。
3.2. 分析結(jié)果
制造的 2 層單纖維復合材料樣品的彈性常數(shù)，即JPC 和 CPC 采用半經(jīng)驗 Halphin-Tsai 方法計算。 下面討論了所獲得結(jié)果的細節(jié)。
3.2.1纖維負載對復合材料的影響
JPC 和 CPC 樣本的彈性常數(shù)，即縱向楊氏模量 (E1)、橫向楊氏模量 (E2、E3)、軸向剪切模量（G12，G13），橫向剪切模量（G23）和主要泊松比（g12，g13）通過Halphin-Tsai方法計算。纖維重量分數(shù)從 15% 變化到 50%，并觀察到彈性常數(shù)的變化。從圖 6 (a-e) 中以圖形方式繪制結(jié)果。
縱向楊氏模量 E1 采用混合法則計算，其他彈性常數(shù)采用 Halphin Tsai 法計算。 可以看出，對于制造的 2 層纖維增強復合材料，彈性性能（E1、E2、E3、G12、G13、G23）隨著 JPC 和 CPC 纖維負載的增加而增加。 此外，還可以看出，黃麻聚酯復合材料的彈性常數(shù)除了主要泊松比外，都優(yōu)于椰殼聚酯復合材料。 這是因為黃麻纖維本身具有比椰殼纖維更好的彈性特性。 因此，使用黃麻纖維代替椰殼纖維作為復合材料制造的增強材料將賦予復合材料更好的彈性性能。 然而，發(fā)現(xiàn)主要泊松比隨著 JPC 和 CPC 纖維重量分數(shù)的增加而降低。
3.3. 有限元建模
JPC 和 CPC 樣品的 3D 實體模型在 ANSYS APDL 18.1 中準備。試樣的尺寸是根據(jù)樣品的大小而定的。 JPC 和 CPC 樣品的拉伸試驗 FEM 模型如圖 7 (a-b) 所示。復合材料的拉伸試驗（參見表6）的實驗結(jié)果與ANSYS 中的 FEM 分析結(jié)果大致相似。然而，可以看到結(jié)果略有不同。變化如表7所示。
復合材料由兩種或兩種以上的材料構(gòu)成，它們的物理和化學性能比它們的任何一種構(gòu)成材料都好。因此，它們在廣泛的領(lǐng)域中得到應用。 由于在不同條件下過度使用，這些材料可能會與各種天然和人造物質(zhì)接觸，這些物質(zhì)可能會導致復合材料老化，進而可能導致其降解、變色以及彈性和機械性能的進一步惡化。
圖 6. JPC 和 CPC 彈性常數(shù)的圖形表示 (a) 縱向楊氏模量 (E1), (b) 橫向楊氏模量 (E2, E3), (c) 軸向剪切模量 (G12, G13), (d) 通過 Halphin Tsai 方法計算的橫向剪切模量 (G23) 和 (e) 主要泊松比 (g12, g13)。
在這項研究中，三種不同的復合材料即。制造 WPC、JPC 和 CPC，并對其進行各種耐候試驗，如水老化、樣品在沸水中浸泡和隨后冷卻、QUV 加速老化等，以測試它們的耐久性、壽命、機械性能的變化，并了解它們在以下條件下的行為不同的老化條件。
據(jù)觀察，復合材料的性能在老化時會降低。由于老化不良影響，如膨脹，吸水率增加，復合材料樣品中出現(xiàn)白色表面沉積。室溫水老化試驗表明，CPC的吸水率最高，其次是JPC和WPC。此外，暴露于加速老化的樣品顯示出拉伸強度顯著下降，這可能是由于纖維的降解以及復合材料的聚酯基體由于暴露于加速老化而造成的損壞?；w和增強材料之間的結(jié)合也減弱了，因此復合材料的承載能力降低，進而導致抗拉強度（機械性能）降低。
復合材料具有很多優(yōu)點，因此在大量產(chǎn)品的制造中都有應用，但也有一定的局限性。復合材料暴露于某些
水老化、長時間暴露于紫外線輻射、炎熱和潮濕的環(huán)境條件等條件最終可能會導致復合材料表面的機械性能下降和物理損壞，從而降低使用壽命和耐久性。對復合材料不同彈性常數(shù)的分析表明，隨著復合材料纖維負載量的增加，纖維復合材料的彈性常數(shù)也隨之提高。
這可以確定，因為纖維在制成復合材料后賦予基體材料進一步的強度。黃麻的彈性性能優(yōu)于椰纖維，導致黃麻聚酯復合材料的彈性性能優(yōu)于椰纖維聚酯復合材料。
制造樣品的 3D FEM 模型在 ANSYS 18.1 中完成。 8 節(jié)點 SOLID 185 由 8 個節(jié)點定義，每個節(jié)點有 3 個自由度，選擇節(jié)點 x、y 和 z 方向的平移作為單元類型 該模型被認為是正交各向異性的，尺寸取自根據(jù)標本。樣品一端全方位固定；樣品的另一端也在所有方向上固定，除了施加載荷的縱向方向。有限元建模表明，該模型對實驗結(jié)果進行了令人滿意的預測。
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