界面性能對(duì)晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料力學(xué)行為的影響?

王永禎,李智輝,蔡曉嵐,王愛玲

(1.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原 030024;2.中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,山西太原 030051)

0 引 言

樹脂基復(fù)合材料 (Resin Matrix Composite)多以纖維、粒子或晶須增強(qiáng)樹脂基體,具有高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)異性能和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn),已在航空航天、電子等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.樹脂基復(fù)合材料綜合了增強(qiáng)體和基體的各自優(yōu)點(diǎn),增強(qiáng)體和基體形成的界面把載荷從基體傳遞到增強(qiáng)體,強(qiáng)化了復(fù)合材料彈性變形,界面性能直接影響了晶須與基體間的應(yīng)力傳遞與分散,從而影響了復(fù)合材料的強(qiáng)度和斷裂韌性.有關(guān)界面結(jié)合的研究幾乎是伴隨著復(fù)合材料的發(fā)展而發(fā)展的,當(dāng)然樹脂基復(fù)合材料也不可能例外[1-4].利用實(shí)驗(yàn)技術(shù)來描述應(yīng)力應(yīng)變場比較困難,難以確定應(yīng)力應(yīng)變場的分布細(xì)節(jié).因此,有限元數(shù)值分析技術(shù)被廣泛用于此類問題的研究,為材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和宏觀力學(xué)性能改善提供了必要的理論依據(jù).本文以晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料件的拉伸強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測定為例,探討了界面結(jié)合性能對(duì)復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)行為的影響,借助有限元方法對(duì)界面結(jié)合性能對(duì)全軸軸向應(yīng)力、界面剪切應(yīng)力以及晶須端面應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了定量分析,為有效控制復(fù)合材料的界面效應(yīng)提供了理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試劑及儀器

光敏樹脂,合成方法參照文獻(xiàn) [5];偶聯(lián)劑KH-560,化學(xué)純,安徽天長;氟化胺,化學(xué)純,天津試劑所;丙酮,化學(xué)純,天津試劑所;SiC晶須,長徑比 5～80,江蘇宏武.

UV光固化成型機(jī),深圳潤沃;萬能試驗(yàn)機(jī)WDW-100KN,吉林金力;S-5200場發(fā)射掃描電鏡,日本 JEO;

1.2 樹脂基復(fù)合材料的合成

向盛放一定量 SiC晶須的燒杯內(nèi)緩慢滴加10% 的氟化胺溶液,邊滴加邊振蕩,5 min后取出并于 120℃下烘干,取出.稱取占 SiC晶須質(zhì)量1% 的偶聯(lián)劑 KH-560,配制偶聯(lián)劑 KH-560的丙酮溶液,并將配制的溶液緩慢滴入盛有 SiC晶須的燒杯內(nèi),振蕩,反應(yīng)充分后于 140℃ 下烘干,打散待用.按 SiC晶須與光敏樹脂體積比 12.5∶87.5配制晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料.將搖勻后的晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料置于啞鈴型模具內(nèi),送入紫外光工作區(qū),進(jìn)行光固化,用秒表計(jì)時(shí),記錄啞鈴型試件的固化時(shí)間.

1.3 性能測試及分析

采用萬能試驗(yàn)機(jī) WDW-100KN進(jìn)行啞鈴型試件的單軸拉伸性能測試,即得試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線.

圖1為啞鈴型拉伸件的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線.由圖 1可知,此拉伸件的拉伸強(qiáng)度為16.1 M Pa.對(duì)拉伸后的斷裂面進(jìn)行 SEM測試(圖2),發(fā)現(xiàn)斷裂面處較光滑,說明晶須與樹脂基體之間的界面結(jié)合狀態(tài)不盡理想[6].

圖1 啞鈴型拉伸件的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系Fig.1 Relationship of stress and strain of the dumbbell tensile

圖2 復(fù)合材料拉伸件斷口形貌Fig.2 SEM pho tograph of fracture face of composite tensile part

由短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度公式[7]知,晶須體積百分比 12.5% 的復(fù)合材料,其理論拉伸強(qiáng)度為 35 M Pa,遠(yuǎn)大于實(shí)測拉伸強(qiáng)度.這表明在復(fù)合材料中,界面的結(jié)合性能對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)行為影響很大[6,8-9].

然而,界面的微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,使對(duì)它的認(rèn)識(shí)還尚不清晰,而且針對(duì)晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中的界面問題研究也較少.本研究采用有限元方法,從細(xì)觀尺度分析研究不同的界面結(jié)合性能對(duì)復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變場,對(duì)于樹脂基復(fù)合材料的界面設(shè)計(jì)的研究提供了一種有效方法.

2 有限元模型

2.1 界面相模型

界面是影響復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能的重要因素之一,目前已提出許多模型來模擬界面區(qū)域?qū)?fù)合材料細(xì)觀力學(xué)行為的影響.近年來被眾多研究者所關(guān)注的一類模型是界面相模型[10].此模型包含了位于晶須和基體之間的界面相,其中界面相是具有一定厚度并且彈性模量不同于基體和晶須的物質(zhì)[10-11].基于此思路,本文給出了一個(gè)界面模型(如圖 3).采用有限元建模,模型建立的過程需要考慮的因素包含模型選用,有限元單元網(wǎng)格,模型的邊界條件,加載形式,模型分析方法選擇等.鑒于紫外光光固化成型零件的對(duì)稱性,取模型的 1/4分析,如圖 3所示.

圖3 界面相有限元模型Fig.3 Finite element model of the interface phase

此模型中包含了 SiC晶須與樹脂基體間的界面,它可以看作為由一層界面材料構(gòu)成.由于載荷傳遞決定于復(fù)合材料的彈性模量,因此界面的結(jié)合性能可由模量值 Ei來體現(xiàn),它是表征界面結(jié)合性能的重要參數(shù)[12].

網(wǎng)格單元采用 8 node plane82單元,為了保證計(jì)算精度的要求,單元總數(shù)為 7 830,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為 23 891.在復(fù)合材料應(yīng)力分析中,取模型尺寸為H=10 h,ri-r=0.2r,h=20r,H-h=10r.

2.2 邊界條件

令 z為有限元模型的軸向方向,x為有限元模型的徑向方向,基體半徑為 R,高為 H;SiC晶須半徑為 r,高為 h;晶須與樹脂基體的界面高也為 h,厚度為 ri=0.2r.模型的位移邊界條件為

式中,Uz和 Ux分別為 z向和 x向的位移.

沿 z向施加面載荷e0,模型的應(yīng)力邊界條件為

3 分析與討論

相關(guān)材料參數(shù)取 Ew= 410 GPa,Em=1.67 GPa,Vw=0.17,Vi=Vm=0.2.界面層為各向同性材料,Ei為界面模量.取不同的 Ei,進(jìn)行彈性計(jì)算,在外加應(yīng)力e0=0.8 MPa時(shí),分析模擬不同界面結(jié)合狀態(tài)下其對(duì)復(fù)合材料軸向應(yīng)力、界面剪應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)分布的影響.

3.1 界面結(jié)合狀態(tài)對(duì)軸向應(yīng)力的影響

圖4為取不同的 Ei值時(shí)樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部軸向應(yīng)力的分布.由圖 4可以看出,界面結(jié)合完好(Ei=1.67 GPa)時(shí),晶須上負(fù)載的軸向應(yīng)力最大;界面結(jié)合較弱 (Ei=0.2 GPa)時(shí),晶須上負(fù)載的軸向應(yīng)力明顯減小,而復(fù)合材料的樹脂基體上軸向應(yīng)力變化不明顯.這是由于晶須是分散相,樹脂基體是連續(xù)相,在外加應(yīng)力e0的作用下,若界面結(jié)合較弱時(shí),基體無法把外力所產(chǎn)生的界面剪切應(yīng)力傳遞給晶須,此時(shí)晶須不會(huì)產(chǎn)生任何應(yīng)變.樹脂基復(fù)合材料承受的應(yīng)力只由基體所承受的應(yīng)力來替代,用于性能增強(qiáng)的 SiC晶須變?yōu)闊o用的雜質(zhì),破壞了材料的完整性,降低了復(fù)合材料的負(fù)載能力.因此,良好的界面結(jié)合決定了復(fù)合材料的性能.增強(qiáng)材料和基體界面必須具有一定的結(jié)合力,只有當(dāng)界面結(jié)合力足夠強(qiáng)時(shí),才能有效地將載荷傳遞給晶須[13].

由圖 4還可以看出,界面結(jié)合性能的變化對(duì)樹脂基體軸向應(yīng)力的變化影響不大.這與虎克定理推導(dǎo)的應(yīng)力解析式 ec=ew+em=Ew·X+Em·X有相同的結(jié)論,即由于 Ew?Em,所以ew?em,也即晶須增強(qiáng)體承擔(dān)主要的外載荷.同時(shí)得出了界面結(jié)合性能對(duì)晶須負(fù)載軸向應(yīng)力的影響大,對(duì)樹脂基體的影響小.

圖4 不同界面模量 Ei時(shí)的復(fù)合材料軸向應(yīng)力分布Fig.4 Axial stress distribution of composite in different Ei

3.2 界面結(jié)合性能對(duì)剪切應(yīng)力的影響

圖5為不同 Ei值時(shí)的復(fù)合材料界面剪切應(yīng)力分布.由狀態(tài)曲線可知,當(dāng)界面結(jié)合弱時(shí),界面剪切應(yīng)力小;界面結(jié)合強(qiáng)時(shí),界面剪切應(yīng)力大.界面上剪切應(yīng)力是不均勻分布的,離模型對(duì)稱截面越遠(yuǎn),界面剪切應(yīng)力越大.因而,界面的剪切破壞過程是隨著外載荷的增加而逐步向模型對(duì)稱截面方向擴(kuò)展的過程[14].

圖5 不同界面相模量 Ei時(shí)的界面剪切應(yīng)力分布Fig.5 Shear stress distribution of interface in different Ei

3.3 界面結(jié)合性能對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響

圖6為不同界面模量 Ei時(shí)的晶須端面應(yīng)力集中系數(shù)分布曲線.由圖 6可知,隨著界面相彈性模量 Ei的進(jìn)一步增大,基體與晶須間界面的結(jié)合性能也隨之增強(qiáng),應(yīng)力集中在晶須端面處達(dá)到最大值.這說明復(fù)合材料界面結(jié)合性能決定著晶須的增強(qiáng)效果[15],界面是應(yīng)力傳遞的載體.界面結(jié)合強(qiáng)時(shí),作用于基體上的應(yīng)力通過界面?zhèn)鬟f至晶須;界面結(jié)合弱時(shí),基體承受了更大的應(yīng)力集中.

圖6 不同界面模量 Ei時(shí)的晶須端面應(yīng)力集中系數(shù)分布Fig.6 Distribution of whisker end face stress concentration factor in different Ei

4 結(jié) 論

1)通過實(shí)測拉伸強(qiáng)度與理論拉伸強(qiáng)度的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)實(shí)測拉伸強(qiáng)度與理論拉伸強(qiáng)度相差很大,這證實(shí)了界面結(jié)合狀態(tài)對(duì)樹脂基復(fù)合材料的性能影響很大.

2)采用有限元建立了界面相模型,得出了界面結(jié)合性能對(duì)晶須承受軸向應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于對(duì)樹脂復(fù)合材料基體的影響;界面剪切應(yīng)力與復(fù)合材料界面結(jié)合性成正相關(guān)關(guān)系;晶須端面應(yīng)力集中系數(shù)隨界面結(jié)合性能的增強(qiáng)而遞增.

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