混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料研究*

郭辰光，朱立達(dá)，李威力，李源

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新 123000； 2.東北大學(xué)先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)研究所，沈陽 110819）

混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料研究*

郭辰光1，2，朱立達(dá)2，李威力1，李源1

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新 123000； 2.東北大學(xué)先進(jìn)制造與自動(dòng)化技術(shù)研究所，沈陽 110819）

為了研究作為精密機(jī)床床身基礎(chǔ)構(gòu)件的混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料的性能，以鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鋼纖維長徑比為考察因素，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法開展16組鋼–絲瓜絡(luò)纖維混合增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料試件壓縮強(qiáng)度與阻尼比測試試驗(yàn)。結(jié)果表明，鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料壓縮強(qiáng)度的影響最大，絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對材料阻尼比的影響最大。隨著絲瓜絡(luò)纖維的添加，試件壓縮強(qiáng)度與阻尼比均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.1%時(shí)，試件的壓縮強(qiáng)度為98.095 0 MPa，阻尼比為0.172 7。鋼纖維添加量與試件壓縮強(qiáng)度呈線性遞增趨勢，且當(dāng)鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.4%時(shí)，試件阻尼比達(dá)到最大值，為0.170 7，當(dāng)鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，試件的整體性能最優(yōu)。當(dāng)鋼纖維長徑比為60時(shí)，試件的壓縮強(qiáng)度為100.063 0 MPa，阻尼比為0.170 9?；旌侠w維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料的最佳組分為：絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%，鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%，鋼纖維長徑比60。

樹脂礦物復(fù)合材料；混合纖維；精密機(jī)床床身；壓縮性能；阻尼比

機(jī)床在加工過程中的振動(dòng)特性是被加工部件表面完整性與質(zhì)量精度的關(guān)鍵影響因素。隨著先進(jìn)制造行業(yè)對數(shù)控機(jī)床加工精度要求的提高，研究開發(fā)具有優(yōu)良力學(xué)性能與阻尼特性的機(jī)床床身基礎(chǔ)構(gòu)件對推動(dòng)制造業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有重要的理論研究與工程應(yīng)用價(jià)值。目前，我國機(jī)床床身基礎(chǔ)構(gòu)件多以鑄鐵及鋼材焊接結(jié)構(gòu)為主［1］，所制備的床身構(gòu)件經(jīng)鑄造、機(jī)加、焊接成型，制備周期較長，且由于該類床身阻尼減振性能由于鑄鐵材料自身特性已無大量提升空間［2］，無法滿足精密、超精密加工機(jī)床對床身構(gòu)件阻尼減振性能的要求。

樹脂礦物復(fù)合材料［3］以有機(jī)樹脂作為粘結(jié)劑，花崗巖等礦物巖石顆粒為骨料，摻雜增塑劑、固化劑、稀釋劑與適當(dāng)填料組分制備而成，制備過程無燒結(jié)鑄造工藝，成型方法靈活，該類材料密度在2.3～2.6 g/cm3之間［4］，阻尼比約為灰鑄鐵材料的5～10倍，比剛度較高，適合高速精密與超精密數(shù)控加工機(jī)床對機(jī)床基礎(chǔ)構(gòu)件穩(wěn)定性的要求。然而，樹脂礦物復(fù)合材料由于級配不合理導(dǎo)致其力學(xué)性能較低，影響機(jī)床構(gòu)件質(zhì)量與性能，對樹脂礦物復(fù)合材料機(jī)床床身構(gòu)件的推廣應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。

諸多學(xué)者［5–10］分別開展了纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能研究，通過對不同纖維的表面氧化和偶聯(lián)處理、填充骨料等級配組分的優(yōu)化，使樹脂礦物復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能得到提升。研究發(fā)現(xiàn)［5–6］，具有較高彈性模量的鋼纖維等金屬纖維增強(qiáng)可使材料的彎曲強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度得到提升，壓縮強(qiáng)度得到顯著提高；劍麻纖維等［11］低彈性模量植物纖維增強(qiáng)對材料的壓縮強(qiáng)度影響較小，但可顯著改善材料的劈裂拉伸強(qiáng)度及脆性，具有較好的增韌、阻裂效果。目前，針對機(jī)床構(gòu)件用樹脂礦物復(fù)合材料開展金屬纖維與植物纖維混雜增強(qiáng)性能的研究還鮮有報(bào)道，筆者采用正交試驗(yàn)法，開展鋼纖維–絲瓜絡(luò)纖維混合增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料的力學(xué)性能研究，以鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和長徑比、絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為變量進(jìn)行對比試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究，為制備滿足精密機(jī)床基礎(chǔ)構(gòu)件使用要求的高性能樹脂礦物復(fù)合材料提供研究依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

雙酚A型環(huán)氧樹脂：工業(yè)純，環(huán)氧值為0.44～0.48 mol/（100 g），濟(jì)寧華凱樹脂有限公司；

固乙二胺：分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；

鄰苯二甲酸二丁酯：分析純，無錫市晶科化工有限公司；

丙酮：分析純，衡陽市凱信化工試劑有限公司；

粗骨料：采用遼寧省朝陽市楊樹灣天然花崗巖，密度為3.21 g/cm3，壓縮強(qiáng)度達(dá)260～285 MPa，經(jīng)顎式破碎機(jī)連續(xù)破碎，篩分粗骨料粒徑5～10 mm，連續(xù)級配。級配使用前需常溫清洗并作烘干處理，含水量不得高于0.5%；

細(xì)骨料：經(jīng)除土處理的人工機(jī)制河砂篩分得到，粒徑0.15～3.5 mm。級配使用前需常溫清洗并作烘干處理，含水量不得高于0.5%；

鋼纖維：采用低碳冷拉鋼絲切斷型，其主要物理性能見表1，鋼纖維使用前需經(jīng)超聲波清洗并烘干處理；

表1 鋼纖維性能參數(shù)

絲瓜絡(luò)纖維：采摘阜新市本地生產(chǎn)絲瓜，將曬干的絲瓜剝皮去籽，剖切為30 mm× 30 mm×30 mm絲瓜絡(luò)塊，用粉碎機(jī)打碎成長度約1～15 mm的絲瓜絡(luò)纖維，用去離子水洗滌并室溫晾干備用。其化學(xué)組分與物理性能參數(shù)見表2、表3［12］，絲瓜絡(luò)擁有多層絲狀植物纖維交錯(cuò)連通成的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)輕、耐磨并富有韌性，它由α–植物纖維素、木質(zhì)素、半纖維素及其它有機(jī)材料構(gòu)成；

表2 絲瓜絡(luò)纖維的化學(xué)組成 %

表3 絲瓜絡(luò)纖維的物理性能參數(shù)

粉煤灰：粒徑為0.5～300 μm，其基本組分包括5.32%的CaO，22.63%的Al2O3，49.74%的SiO2，10.52%的 Fe2O3，4.11%的 MgO，2.39%的Na2O，2.02%的K2O，其它為3.27%的燒失量。遼寧阜新市熱電廠。

1.2 主要儀器與設(shè)備

錘式破碎機(jī)：PC?600×400型，朝陽力保重工有限公司；

攪拌機(jī)：SDF400型，萊州通聚機(jī)械廠；干燥烘干機(jī)：101–4S型，力辰科技有限公司；試件成型模具：采用45#鋼自行制備，其尺寸參數(shù)為260 mm×260 mm×60 mm；

振動(dòng)臺：G500型，滄州精威儀器設(shè)備制造有限公司；

萬能材料試驗(yàn)機(jī)：WAW–600C型，濟(jì)南方圓試驗(yàn)儀器有限公司；

試件阻尼比振動(dòng)性能測試系統(tǒng)：主要包括B & K 8207型脈沖錘，靈敏度0.225 mV/ N；Lance0120IC型壓電加速度傳感器，靈敏度1000 mV/g，量程5 g，頻率范圍0.35～6 000 Hz，分辨率2×10-5g；Lance lc20201型信號調(diào)理器，上限頻率30 kHz，下限頻率0.01 Hz；振動(dòng)電壓信號經(jīng)放大、濾波處理后，經(jīng)USB–7325型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；B & K 7700Pulse型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率為4 kHz，連續(xù)采樣；

ME'scope模 態(tài) 分 析 軟 件：美 國Vibrant Technology公司。

1.3 試件制備

在添加纖維之前，先完成試件樹脂系統(tǒng)、骨料與填料的均勻混合。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為配合比，將10%的環(huán)氧樹脂、1.35%的固化劑乙二胺、0.7%的稀釋劑丙酮、0.7%的增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯依次加入攬拌桶中，以轉(zhuǎn)速90 r/min攪拌2 min，使樹脂體系混合均勻；將攪拌好的樹脂體系與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.5%的填料粉煤灰和48.25%的細(xì)骨料混合，以轉(zhuǎn)速30 r/min攪拌10 min，使細(xì)骨料、粉煤灰與樹脂體系充分融合；將24.5%粗骨料加入攪拌機(jī)攪拌桶，以轉(zhuǎn)速20 r/min攪拌15 min，攪拌均勻備用。

以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為配合比，按正交試驗(yàn)方案，以纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和長徑比作為試驗(yàn)變量，依次向攪拌桶中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的絲瓜絡(luò)纖維、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和長徑比的鋼纖維，并以20 r/min轉(zhuǎn)速慢速攪拌5 min，而后以60 r/min轉(zhuǎn)速攪拌10 min，完成樹脂礦物復(fù)合材料的混料處理。

組裝模具，模具內(nèi)腔表面用丙酮清洗后，涂抹聚二甲基硅氧烷有機(jī)硅油作為試件脫模劑，將攪拌均勻的混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料漿料澆鑄于成型模具中，將模具固定于振動(dòng)臺振動(dòng)20 min。將振實(shí)后的模具置于室溫（20℃）固化24 h脫模，而后室內(nèi)靜置養(yǎng)護(hù)7 d成型。切割試件，壓縮性能測試試件尺寸為50 mm×50 mm×50 mm，阻尼特性測試試件尺寸為40 mm×40 mm×240 mm。

1.4 性能測試

（1）壓縮強(qiáng)度測試。

室溫（20℃）下，在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上開展床身用混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料試件的單軸準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，測試應(yīng)變率為10-3s-1時(shí)試件的壓縮性能。通過試驗(yàn)機(jī)記錄載荷數(shù)據(jù)，經(jīng)式（1）處理后得到試件的壓縮強(qiáng)度。

式中：σ——壓縮強(qiáng)度，MPa；

F——壓縮最大載荷，N；

A——承載橫截面積，mm2。

（2）阻尼比測試。

阻尼比是用來描述材料吸振性能優(yōu)劣的物理量，阻尼比數(shù)值越大，材料的吸振性能越好。其計(jì)算公式如式（2）所示：

δ——對數(shù)衰減率；

Ai——位移衰減曲線第i個(gè)周期的振幅，通常i以2或3起始，且n≤5。

采用共振頻率法進(jìn)行床身用混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料試件阻尼特性的測試，在試件一端粘接加速度傳感器，將另一端夾持固定，形成單支點(diǎn)懸臂梁系統(tǒng)，采用脈沖錘敲擊激勵(lì)試件懸置端部，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成脈沖錘力傳感器與試件端部加速度傳感器的數(shù)據(jù)采集。

（3）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法完成試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，以1.3節(jié)試件制備過程中樹脂系統(tǒng)、骨料與填料的均勻混合漿料為配置基準(zhǔn)，在混合漿料中依次添加不同配比的鋼纖維與絲瓜絡(luò)纖維。制備試件中鋼纖維增強(qiáng)最大摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%，絲瓜絡(luò)纖維增強(qiáng)最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%。相同級配試件每組制備3個(gè)，且試件最終測試結(jié)果為3個(gè)試件的平均值。纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與長徑比因素水平列于表4，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與測試結(jié)果見表5。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響因素比較

計(jì)算混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料試件力學(xué)性能正交試驗(yàn)測試結(jié)果的極差，比較各因素對測試結(jié)果的影響，結(jié)果見表6、表7。

由表6可知，對于混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度，各因素大小影響順序?yàn)殇摾w維質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞鋼纖維長徑比。由表7可知，對于混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料的阻尼比，各因素大小影響順序?yàn)榻z瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞鋼纖維長徑比。

2.2 絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對試件壓縮強(qiáng)度和阻尼比的影響如圖1、圖2所示。

由圖1與圖2可知，混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度與阻尼比均出現(xiàn)隨著絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而先增大后減小的現(xiàn)象。

當(dāng)絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.05%增加到0.2%時(shí)，試件的壓縮強(qiáng)度由92.022 5 MPa增加到98.262 5 MPa，提高了6.78%；當(dāng)絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.1%時(shí)，試件的壓縮強(qiáng)度為98.095 0 MPa，繼續(xù)增加絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)，壓縮強(qiáng)度增速放緩，并最終在絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.2%時(shí)，壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大值，為98.262 5 MPa。隨著絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)遞增至0.3%，試件的壓縮強(qiáng)度卻出現(xiàn)減小，為96.425 0 MPa，這是由于絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其體積含量增大導(dǎo)致混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料攪拌過程中出現(xiàn)“團(tuán)聚”現(xiàn)象，影響了試件的均布密實(shí)效果，同時(shí)在材料內(nèi)部形成局部蜂窩、孔洞的聚集，出現(xiàn)纖維搭接、纏繞等問題，使絲瓜絡(luò)纖維與基體接觸面減少，纖維與基體粘結(jié)削弱。

表4 纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鋼纖維長徑比因素水平

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及測試結(jié)果

表6 壓縮強(qiáng)度直觀分析計(jì)算表 MPa

表7 阻尼比直觀分析計(jì)算表

圖1 絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對試件壓縮強(qiáng)度影響

圖2 絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對試件阻尼比影響

當(dāng)絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.1%時(shí)，試件的阻尼比達(dá)到0.172 7，隨著絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，試件的減振性能出現(xiàn)下降趨勢，最小阻尼比出現(xiàn)在絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，其測試值為0.165 2。團(tuán)聚現(xiàn)象的出現(xiàn)，在降低試件整體壓縮強(qiáng)度的同時(shí)，減振性能也出現(xiàn)降低，纖維增強(qiáng)作用弱化。因此，當(dāng)絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.1%，試件可獲得最佳的性能。

2.3 鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對試件壓縮強(qiáng)度和阻尼比的影響如圖3、圖4所示。

圖3 鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對試件壓縮強(qiáng)度影響

圖4 鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對試件阻尼比影響

圖5 鋼纖維長徑比對試件壓縮強(qiáng)度影響

圖6 鋼纖維長徑比對試件阻尼比影響

由圖3可知，隨著混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料中摻入鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，測試試件的壓縮強(qiáng)度持續(xù)上升，呈現(xiàn)近似正比例線性關(guān)系遞增。在鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)，試件的壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大值，達(dá)到100.250 0 MPa，比鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)的試件壓縮強(qiáng)度93.370 0 MPa提升了7.37%。鋼纖維的添加，使試件的抗壓能力增強(qiáng)，隨著鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼纖維與樹脂基體的粘結(jié)面增大，且鋼纖維在某種程度上起到了破壞裂紋止裂的作用，鋼纖維逐步替代粗骨料承擔(dān)起主要抗壓支撐結(jié)構(gòu)的角色。

由圖4可見，試件的阻尼比隨著鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且當(dāng)鋼纖維在混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.4%時(shí)，試件的阻尼比達(dá)到最大值，為0.170 7。隨著鋼纖維的加入，鋼纖維與樹脂基體的粘結(jié)面增大，且攪拌過程中易在鋼纖維與樹脂基體材料間形成細(xì)小分離孔穴，且內(nèi)部多填充空氣，形成阻尼氣室，使試件的阻尼比增大，減振性能遞增。但是，隨著鋼纖維的進(jìn)一步增加，且由于鋼纖維的阻尼比明顯劣于樹脂基體，導(dǎo)致試件的整體阻尼比隨著鋼纖維的增加快速下降。

考慮到試件的阻尼特性，并結(jié)合鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對試件壓縮性能的影響，鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇0.4%～0.8%為宜。為了優(yōu)先保證試件的壓縮性能，選擇鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%。

2.4 鋼纖維長徑比的影響

鋼纖維長徑比對試件壓縮強(qiáng)度與阻尼比的影響如圖5、圖6所示。

由圖5可看出，當(dāng)鋼纖維長徑比為40時(shí)，試件的壓縮強(qiáng)度為94.550 0 MPa，當(dāng)長徑比為60時(shí)，試件的壓縮強(qiáng)度為100.063 0 MPa，壓縮強(qiáng)度提升了5.83%。當(dāng)長徑比由60增大到80時(shí)，試件的壓縮強(qiáng)度下降了5.18%，下降為94.875 0 MPa?？梢婇L徑比為60的鋼纖維與樹脂及骨料體系的粘結(jié)力最強(qiáng)。

由圖6可以看出，試件的阻尼比隨著鋼纖維長徑比的增加出現(xiàn)了先緩慢增加，而后快速增長，并在鋼纖維長徑比為60時(shí)阻尼比達(dá)到最大值（0.170 9），比鋼纖維長徑比為40時(shí)的阻尼比0.167 5提升了2.03%，而后阻尼比隨著鋼纖維長徑比的增加出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。但阻尼比的增幅與減幅均較小，長徑比對混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料試件的阻尼比影響不敏感。當(dāng)鋼纖維長徑比增大時(shí)，一方面使試件受外載作用時(shí)，沿界面分布的鋼纖維起到阻止初始裂紋并剛性支撐的作用，壓縮強(qiáng)度增大，且配料攪拌過程中易使材料內(nèi)部出現(xiàn)較多的空隙，阻尼比增大。但當(dāng)鋼纖維的長徑比為60時(shí)，配料攪拌過程中可實(shí)現(xiàn)攪拌均勻，且與膠合界面實(shí)現(xiàn)較好的結(jié)合，從而使其壓縮性能與減振性能達(dá)到最優(yōu)。但長徑比的進(jìn)一步增加，卻導(dǎo)致鋼纖維與樹脂基材料間的結(jié)合面出現(xiàn)大量孔隙，界面強(qiáng)度退化，試件整體的壓縮強(qiáng)度降低。同時(shí)隨著剛度優(yōu)良的鋼纖維長徑比的增大，試件整體的阻尼特性呈現(xiàn)逐步降低趨勢。綜上所述，當(dāng)鋼纖維長徑比為60時(shí)，試件可獲得最佳的性能。

3 結(jié)論

（1）隨著鋼纖維與絲瓜絡(luò)纖維的摻入，樹脂礦物復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度均有增加，鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對壓縮強(qiáng)度的影響最大，具有近似正比例線性關(guān)系。絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.2%時(shí)壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大值，為98.262 5 MPa，隨后隨著絲瓜絡(luò)纖維摻入量的加大，出現(xiàn)“團(tuán)聚”現(xiàn)象，壓縮強(qiáng)度降低。鋼纖維長徑比對壓縮強(qiáng)度的影響敏感性最小，其測試數(shù)據(jù)極差值為5.512 5，鋼纖維的最佳長徑比為60。

（2）隨著鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)及鋼纖維長徑比的增加，樹脂礦物復(fù)合材料的阻尼比出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)絲瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和鋼纖維長徑比分別達(dá)到0.1%，0.4%和60時(shí)阻尼比出現(xiàn)最大值。且各因素對試件阻尼比影響按由大到小排序?yàn)椋航z瓜絡(luò)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鋼纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鋼纖維長徑比。

（3）綜合考慮機(jī)床床身用混合纖維增強(qiáng)樹脂礦物復(fù)合材料對壓縮強(qiáng)度和抗振性的需求，確定添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的絲瓜絡(luò)纖維，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%、長徑比為60的鋼纖維為纖維增強(qiáng)最佳級配。

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Research on Mixed Fiber Reinforced Resin Mineral Composites

Guo Chenguang1， 2， Zhu Lida2， Li Weili1， Li Yuan1
（1. College of Mechanical Engineering， Liaoning Technology University， Fuxin 123000， China；2. Institute of Advanced Manufacturing and Automation Technology， Northeastern University， Shenyang 110819， China）

In order to study the properties of precision lathe machine bed manufactured by resin mineral composites，with the influence factors of steel fiber mass fraction，luffa fiber mass fraction and steel fiber length-diameter ratio，16 groups tests of the properties of compressive strength and damping ratio of resin mineral composites reinforced by mixed steel and luffa fibers were carried out through orthogonal experiment. The results reveal that steel fiber mass fraction has the most significant influence on compressive strength and luffa fiber mass fraction has major influence on damping ratio. With the addition of loofah fiber，compressive strength and damping ratio of the specimen increasing first，and then decreasing. When the mass fraction of luffa fiber is 0.1%，the compressive strength is 98.095 0 MPa，damping ratio is 0.172 7. The steel fiber content and compressive strength of the specimens have linearly increasing trend. When the mass fraction of steel fiber is 0.4%，the damping ratio become 0.170 7. The specimen has the optimal properties when the mass fraction of steel fiber is 0.8%. When the length-diameter ratio of steel fiber is 60，the specimen's compressive strength is 100.063 0 MPa，and the damping ratio is 0.170 9. The suitable constitute of mixed fiber reinforced resin mineral composite material are 0.1% mass fraction of luffa fiber，0.8% mass fraction of steel fiber and 60 length-diameter ratio of steel fiber.

resin mineral composite；mixed fiber；precision lathe machine bed；compressive strength；damping ratio

TG502.4

A

1001-3539（2016）07-0062-06

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.07.012

*國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAF10B11），國家自然科學(xué)基金資助（501105072，51475087），遼寧省科技計(jì)劃項(xiàng)目（20131043）
聯(lián)系人：郭辰光，講師，主要從事先進(jìn)制造系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)研究

2016-04-22