玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂力學(xué)性能研究*

南洪堯, 李 岳, 李志剛

(太原理工大學(xué) 力學(xué)學(xué)院，山西 太原，030024)

玻璃纖維增強(qiáng)聚合物材料是一種以樹脂(RP)為基體，GF為增強(qiáng)體的新型復(fù)合材料.與傳統(tǒng)金屬材料相比，GFRP具有密度小，不容易被腐蝕，有十分優(yōu)秀的電絕緣性、很大的比強(qiáng)度、導(dǎo)熱很慢的特點[1-4].在GFRP中，又以環(huán)氧樹脂作為基體的復(fù)合材料的應(yīng)用最廣，由于GF/EP復(fù)合材料還具有成型收縮很小、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良等特點[5]，在印刷電路板和加工工業(yè)零部件時有大量的應(yīng)用.

GF/EP復(fù)合材料研究近況:1996年，楊宜謙等[6]比較了環(huán)氧玻璃鋼和聚酯玻璃鋼在動態(tài)壓縮下的彈性模量和能量吸收率;2010年，張磊等[7]測定了玻璃纖維含量為70%的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料不同纖維方向的抗拉強(qiáng)度、拉伸彈性模量，泊松比等參數(shù).2016年，張碩等[8]測定了玻璃纖維含量為52%的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料不同纖維方向的抗拉強(qiáng)度、拉伸彈性模量，泊松比等參數(shù)；2018年，阮班超等[9]研究了E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料軸向拉伸力學(xué)性能的應(yīng)變率效應(yīng).隨著社會的不斷進(jìn)步，人們對GF/EP復(fù)合材料的要求也在不斷地提高.

為了進(jìn)一步提高GF/EP復(fù)合材料的機(jī)械性能，充分了解GF/EP復(fù)合材料在各種條件下的力學(xué)性能十分必要.為進(jìn)一步對GF/EP復(fù)合材料進(jìn)行研究，本文主要工作如下：(1) 利用ETM105D型萬能試驗機(jī)對不同配比的GF/EP試件進(jìn)行了常溫下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗，利用Zwick/RoellZ005型萬能材料試驗機(jī)對不同配比的試件，在不同溫度下進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗，分析配比及溫度在靜態(tài)載荷下對GF/EP材料力學(xué)性能的影響.(2) 利用SHPB試驗裝置對試件進(jìn)行不同應(yīng)變率下動態(tài)壓縮試驗，研究材料動態(tài)力學(xué)性能以及材料的應(yīng)變率敏感性.比較應(yīng)變率相近、配比不同的試件，探究配比對材料的應(yīng)變率敏感性及其他力學(xué)性能的影響.

1 準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗

1.1 實驗材料及過程

本試驗所用的試樣為GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為55%、75%、95%的GF/EP試件，分別由上海偉奮實業(yè)有限公司、揚州兆歐電工絕緣材料有限公司以及深圳市英德源絕緣塑膠制品有限公司提供.分別將其加工成直徑8 mm、厚度10 mm，直徑8 mm、厚度7.5 mm，直徑10 mm、厚度9 mm的試樣.常溫與其他不同溫度下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗儀器設(shè)備分別為ETM105D型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)(深圳萬測試驗設(shè)備有限公司)和Zwick/RoellZ005型萬能材料試驗機(jī)(德國Zwick/Roell公司).對試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗，加載速度為2 mm/min，常溫下準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗時的室內(nèi)溫度為20.3 ℃，每種試件重復(fù)5次試驗，以保證試驗結(jié)果的可靠性.

1.2 實驗結(jié)果與分析

1.2.1常溫下試驗試件試驗前后對比如圖1所示.處理數(shù)據(jù)，得到試件在常溫下準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖2所示.從圖2中可以看出，準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%與75%的試樣在加載過程中達(dá)到屈服強(qiáng)度后直接發(fā)生了脆性斷裂，而GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的試樣在達(dá)到屈服強(qiáng)度后，開始產(chǎn)生了塑性變形.表1為不同GF含量的試件在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗中測得的屈服強(qiáng)度.

表1 不同GF含量的試件的屈服強(qiáng)度

GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%75%95%屈服強(qiáng)度/MPa430.8781.2233.5

1.2.2其他溫度下試驗兩種GF含量的試件在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示.GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的試件與75%的試件的屈服強(qiáng)度均與溫度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，即溫度越高，試件的屈服強(qiáng)度越低.結(jié)合在常溫下準(zhǔn)靜態(tài)的測量結(jié)果，得到表2和表3.符合材料隨溫度的升高，屈服強(qiáng)度降低的規(guī)律.

表2 不同溫度下55%試件的屈服強(qiáng)度

表3 不同溫度下75%試件的屈服強(qiáng)度

2 動態(tài)壓縮試驗

2.1 實驗材料及過程

本實驗采用分離式霍普金森壓桿(split hopkinson pressure bar，SHPB)實驗技術(shù)，裝置示意圖如圖4所示.采用的試樣均為上述公司提供的GF含量為75%、95%的試樣.對裝置調(diào)試后，進(jìn)行試驗.由于試樣尺寸小，試樣的兩個面的平行情況以及摩擦都對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此，取幾個實驗波形較好的試樣作為有效試件.

2.2 實驗結(jié)果與分析

試件實驗前后比較如圖5所示.

2.2.1工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線處理數(shù)據(jù)，得到試樣在動態(tài)壓縮過程的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖6所示.

2.2.2屈服強(qiáng)度的確定GF / EP試件的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線在試件失效前(工程應(yīng)力達(dá)到峰值之前)的斜率有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，而且沒有明顯的屈服轉(zhuǎn)折點.

在目前的研究中，對于沒有明顯屈服轉(zhuǎn)折點的材料，還沒有統(tǒng)一的定值方法，很多文獻(xiàn)對此提出了各自的定值方法，主要包括等能量法、殘余塑性變形法以及三種作圖法[10-12]，各定值方法示意圖如圖7所示.等能量法不可以用作圖得到屈服點，須進(jìn)行數(shù)值積分試算，而且這種方法對于具有二次剛度的雙線性構(gòu)件將會得到不合理的結(jié)果；作圖法一的作圖過程中初始剛度的確定將對最終屈服點的確定產(chǎn)生較大的影響；作圖法二中使用峰值荷載系數(shù)0.75來確定材料的初始屈服點；作圖法三與作圖法一具有類似的問題；殘余塑性變形法直接套用金屬材料規(guī)定，會在一些構(gòu)建結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)不合理的情況.

本文中采用了作圖法二，得到試件的屈服應(yīng)力值如表4和表5所示.

表4 不同速度打擊下75%試件的應(yīng)變速率值與屈服應(yīng)力值

表5 不同速度打擊下95%試件的應(yīng)變速率值與屈服應(yīng)力值

2.2.3分析比較SPHB動態(tài)壓縮實驗前后試件可知，75%試樣在不同應(yīng)變率下都發(fā)生了完全的破壞，出現(xiàn)很多粉末狀玻璃纖維，表明試件發(fā)生了脆性失效；95%試樣在不同應(yīng)變率下發(fā)生了一定程度的鼓包并有剪切破壞的特征，說明試件既產(chǎn)生了塑性變形，又發(fā)生了脆性變形，而且應(yīng)變率越大，脆性變形越大.由此可知，隨著GF含量的增加，在一定程度上增大了試件的韌性.

試件在不同應(yīng)變率下表現(xiàn)出的力學(xué)性能往往不同，有時甚至差別很大.而在實際工程應(yīng)用中的試件又常處于不同的應(yīng)變率下，因此探究試件的應(yīng)變率效應(yīng)十分必要.不同GF含量試件屈服強(qiáng)度-應(yīng)變率關(guān)系圖如圖8所示.

GF含量為75%的試件的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于95%的試件，這是由于在高應(yīng)變率下，EP的粘性來不及釋放，試件的失效來源于EP的脆性斷裂，因此，GF含量較低(EP含量較高)的試件的屈服強(qiáng)度更高.在一定應(yīng)變率下，GF/EP試件并不具有應(yīng)變率效應(yīng)，但當(dāng)應(yīng)變率超過某個臨界值時，又體現(xiàn)出極強(qiáng)的應(yīng)變率效應(yīng)的敏感性.

3 結(jié) 論

(1) 對GF/EP試件進(jìn)行了不同溫度下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗，獲得了GF含量不同的GF/EP試樣在不同溫度下的屈服強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)溫度越高，試件的屈服強(qiáng)度越低，試件的彈性模量和屈服強(qiáng)度具有明顯的溫度依賴性.

(2) 對GF/EP試件進(jìn)行動態(tài)壓縮實驗，獲得了GF含量不同的GF/EP試樣在不同應(yīng)變率下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并且使用作圖法，得到了試樣在各個應(yīng)變率下的屈服強(qiáng)度；比較實驗前后試件，發(fā)現(xiàn)95%試樣的韌性優(yōu)于75%試樣，說明GF含量的增加，在一定程度上增大了試件的韌性.

(3) 試樣在一定應(yīng)變率下，GF/EP試件并不具有應(yīng)變率效應(yīng)，但當(dāng)應(yīng)變率超過某個臨界值時，又能體現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng).