玻纖增強(qiáng)UP 基復(fù)合材料大巴空調(diào)罩力學(xué)性能

劉闊，吳鳳楠，賈志欣，劉立君，李繼強(qiáng)，王少峰，劉艷雄

(1.浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310012；2.浙大寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315100；3.寧波市益普樂(lè)模塑有限公司，浙江寧波 315615)

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料以不同方式組合而成的具有新性能的材料，它往往具有各組分獨(dú)自所不具有的優(yōu)良性能。近些年來(lái)，復(fù)合材料憑借其比重小、比強(qiáng)度和比模量大且可設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空航天、建筑建材以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1–4]。

玻璃纖維(GF)是一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料，常用作樹(shù)脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。玻璃纖維制品因其較低的制造成本和優(yōu)秀的力學(xué)性能，在樹(shù)脂基復(fù)合材料中應(yīng)用最廣、用量最大[5]，因此探究玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的變化規(guī)律顯得迫切和必要，不少專家學(xué)者也對(duì)此做出了重要研究。衛(wèi)新亮等[6]研究了玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料搭接–縫合后的剪切性能，為復(fù)合材料修補(bǔ)技術(shù)提供有力支持。李德等[7]、李益俊等[8]、張娟等[9]探究了玻璃纖維添加量對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型與力學(xué)性能的影響。李寧等[10]利用ABAQUS／Explicit 建立了有限元模型，分析了玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層合板低速?zèng)_擊響應(yīng)。盧軍凱等[11]、劉小祥等[12]、胡章平[13]對(duì)連續(xù)的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備工藝及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。李靖等[14]設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)，研究了鋪放成型工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料板材彎曲和層間剪切強(qiáng)度的影響。

然而，現(xiàn)有研究一般側(cè)重于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的材料制備及性能測(cè)試，并未延伸至具體產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程，筆者從大巴空調(diào)罩制品開(kāi)發(fā)角度出發(fā)，研究了成型壓力、玻纖含量?jī)蓚€(gè)因素對(duì)玻纖增強(qiáng)的不飽和聚酯基復(fù)合材料盒型件的拉伸性能和沖擊性能的影響并總結(jié)規(guī)律，為制品生產(chǎn)時(shí)原料選擇及工藝參數(shù)確定提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法

1.1 原材料

片狀模塑料（SMC）材料：艾蒂國(guó)際復(fù)合材料公司。

1.2 成型設(shè)備

復(fù)合材料制品液壓機(jī)：2500T型，天津市天鍛壓力機(jī)有限公司；

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：SANS CMT4204型，深圳新三思儀器公司；

沖擊試驗(yàn)機(jī):Zwick／Roell Amsler HIT2000F型，德國(guó)耐馳公司。

1.3 試驗(yàn)方案

材料包括玻璃纖維增強(qiáng)體、不飽和聚酯樹(shù)脂基體及各種助劑，試驗(yàn)選取了玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%，23%，29%的原材料在成型壓力為10 000,12 000，17 000 kN的條件下成型，具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。圖1 為大巴空調(diào)罩實(shí)驗(yàn)試樣切割方案圖。

表1 復(fù)合材料玻纖含及試驗(yàn)方案

圖1 大巴空調(diào)罩實(shí)驗(yàn)試樣切割方案圖

按照預(yù)訂的試驗(yàn)方案將材料成型為如圖1 所示的形狀，并在指定的位置切割下試驗(yàn)所需的試樣并按表2 編號(hào)分組，其中A1 組L1，L2，L3 為頂面垂直于參考面的3 個(gè)拉伸試樣，A2 組L4，L5，L6為側(cè)面垂直于參考面的3 個(gè)拉伸試樣，B1 組1，2，3 為頂面平行于參考面的3 個(gè)沖擊試樣，B2 組4，5，6 為頂面垂直于參考面的3 個(gè)沖擊試樣，B3 組7，8，9 為側(cè)面平行于參考面的3 個(gè)沖擊試樣，B4 組10，11，12 為側(cè)面垂直于參考面的3 個(gè)沖擊試樣，實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為同組試樣具有類似的力學(xué)性能。

表2 試樣編號(hào)及位置信息

1.4 測(cè)試方法

拉伸性能按照GB／T 1040.4–2006 測(cè)試，最大力20 kN，溫度為20℃，環(huán)境濕度為48%RH，設(shè)置拉伸速度為2 mm／min，拉伸標(biāo)距為50 mm；

沖擊性能按照GB／T 1043.2–2008 測(cè)試；

最大勢(shì)能2044 J，環(huán)境溫度為20℃，環(huán)境濕度為48%RH。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能測(cè)試結(jié)果及分析

(1)頂面及側(cè)面試樣應(yīng)力–應(yīng)變曲線。

利用萬(wàn)能試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄功能，能夠得到試樣的拉伸載荷–伸長(zhǎng)量曲線。進(jìn)一步，分別用拉伸載荷和伸長(zhǎng)量除以試樣原截面面積和試樣標(biāo)距，能夠得到每個(gè)試樣的應(yīng)力–應(yīng)變曲線圖，曲線上每個(gè)點(diǎn)的斜率表征著材料抵抗變形的能力，斜率越大說(shuō)明材料抵抗變形的能力越強(qiáng)。對(duì)于頂面和側(cè)面的試樣，應(yīng)力–應(yīng)變曲線分別具有不同的特征。圖2 為不同成型壓力下頂面試樣L1 和側(cè)面試樣L5的應(yīng)力–應(yīng)變曲線圖。由圖2 可以看出，對(duì)于不同成型壓力下成型的制品，試樣一旦開(kāi)始受力，直接發(fā)生塑性變形，無(wú)彈性變形階段；對(duì)于不同成型壓力下成型的制品，相同位置處的試樣經(jīng)過(guò)加載初期后，曲線斜率基本相近，即材料抵抗變形的能力基本相同。

圖2 不同成型壓力下頂面試樣L1 及側(cè)面試樣L5 應(yīng)力–應(yīng)變曲線

對(duì)于相同成型壓力下成型的制品，側(cè)面試樣的曲線斜率均大于頂面試樣的曲線斜率，且當(dāng)成型壓力升高，曲線斜率趨近一致。

對(duì)于頂面試樣，當(dāng)成型壓力為10 000，12 000 kN時(shí)，應(yīng)力–應(yīng)變曲線為凹曲線，即隨著變形量增大，材料抵抗變形的能力增強(qiáng)。當(dāng)成型壓力為17 000 kN 時(shí)，應(yīng)力–應(yīng)變曲線為凸曲線，即隨著變形量增大，材料抵抗變形的能力減弱；對(duì)于側(cè)面試樣，在3種成型壓力下，應(yīng)力–應(yīng)變曲線均為凸曲線，即隨著變形量增大，材料抵抗變形的能力減弱。

(2)成型壓力對(duì)制品拉伸性能的影響規(guī)律分析。

不同成型壓力下復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，為探究規(guī)律并降低實(shí)驗(yàn)隨機(jī)性和誤差，分別對(duì)頂面和側(cè)面試樣測(cè)試結(jié)果取平均值，得到AVG–頂面、AVG–側(cè)面，進(jìn)而得到不同成型壓力下復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度變化曲線，如圖3 所示。

表3 不同成型壓力下復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 MPa

圖3 不同成型壓力下復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度變化曲線

由表3、圖3 可見(jiàn)，對(duì)于頂面和側(cè)面的試樣，其拉伸強(qiáng)度有較大差異，表現(xiàn)出一定的不均勻性。其中頂面試樣的拉伸強(qiáng)度較大且變化幅度較小，基本在45～50 MPa，側(cè)面試樣拉伸強(qiáng)度較小且變化較大，在30～50 MPa。在10 000 kN的成型壓力下，制品強(qiáng)度均勻性更好，頂面和側(cè)面都具有較好的拉伸強(qiáng)度。隨成型壓力升高，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度整體呈現(xiàn)先下降再升高的趨勢(shì)。

(3)纖維含量對(duì)制品拉伸性能的影響規(guī)律分析。

不同纖維含量下復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，為探究規(guī)律并降低實(shí)驗(yàn)隨機(jī)性和誤差，分別對(duì)頂面和側(cè)面試樣測(cè)試結(jié)果取平均值，得到AVG–頂面、AVG–側(cè)面，最終得到不同纖維含量下復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度變化曲線，如圖4 所示。

表4 不同纖維含量下復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 MPa

圖4 不同纖維含量下復(fù)合材料試樣拉伸強(qiáng)度變化曲線

由表4，圖4 可見(jiàn)，對(duì)于頂面和側(cè)面的試樣，其拉伸強(qiáng)度有較大差異，表現(xiàn)出較大的不均勻性。其中頂面試樣的拉伸強(qiáng)度較大，基本在45～60 MPa，側(cè)面試樣的拉伸強(qiáng)度較小，基本在25～40 MPa。隨著纖維含量的升高，頂面拉伸強(qiáng)度先升高再下降，其原因是纖維含量越高，復(fù)合材料內(nèi)部樹(shù)脂和纖維結(jié)合得越好，復(fù)合材料內(nèi)部承受拉力載荷的纖維更多，因此試樣的拉伸強(qiáng)度增加[15]，但當(dāng)纖維含量到達(dá)一定程度，超出了樹(shù)脂基體的可結(jié)合能力后，樹(shù)脂則不能完全均勻飽和，導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，拉伸強(qiáng)度降低。側(cè)面的試樣是成型時(shí)頂面原材料經(jīng)模壓壓力作用，流動(dòng)至側(cè)面后固化成型的，因?yàn)闃?shù)脂的流動(dòng)性較纖維更好，所以制件側(cè)面的纖維含量較制件頂面的纖維含量低，即使原料纖維含量升高，仍未超出樹(shù)脂基體結(jié)合能力，因此側(cè)面試樣表現(xiàn)出隨著纖維含量增加，拉伸強(qiáng)度持續(xù)上升的趨勢(shì)。

2.2 沖擊性能測(cè)試結(jié)果及分析

(1) 成型壓力對(duì)制品沖擊性能的影響規(guī)律分析。

不同成型壓力下復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。為探究規(guī)律并降低實(shí)驗(yàn)隨機(jī)性和誤差，分別對(duì)頂面、側(cè)面、垂直、平行試樣測(cè)試結(jié)果取平均值，得到AVG–頂面平行、AVG–頂面垂直、AVG–側(cè)面平行、AVG–側(cè)面垂直方向沖擊性能測(cè)試結(jié)果，進(jìn)而得到不同成型壓力下復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度變化曲線，如圖5 所示。由表5，圖5 可見(jiàn)，頂面試樣沖擊強(qiáng)度隨著成型壓力變化表現(xiàn)出較好的規(guī)律性，即隨著成型壓力升高，試樣沖擊強(qiáng)度先增大后減小。制品頂面平行方向試樣的沖擊強(qiáng)度基本在65～90 kJ／m2，而垂直方向試樣的沖擊強(qiáng)度基本在35～60 kJ／m2，即平行方向試樣較垂直方向試樣的沖擊強(qiáng)度更高。對(duì)于側(cè)面試樣而言，由于成型過(guò)程中樹(shù)脂及纖維流動(dòng)情況更加復(fù)雜，沖擊強(qiáng)度則并未呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，但仍可看出平行方向試樣較垂直方向試樣的沖擊強(qiáng)度更高，平行方向試樣的沖擊強(qiáng)度基本在65～140 kJ／m2，而垂直方向試樣沖擊強(qiáng)度基本在35～70 kJ／m2。

表5 不同成型壓力下復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 kJ／m2

圖5 不同成型壓力下復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度

(2)纖維含量對(duì)制品沖擊性能的影響規(guī)律分析。

不同纖維含量下復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果列于表6。為探究規(guī)律并降低實(shí)驗(yàn)隨機(jī)性和誤差，分別對(duì)頂面、側(cè)面、垂直、平行試樣測(cè)試結(jié)果取平均值，得到AVG–頂面平行、AVG–頂面垂直、AVG–側(cè)面平行、AVG–側(cè)面垂直方向的沖擊性能測(cè)試結(jié)果，最終得到不同纖維含量下復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度變化曲線，如圖6 所示。

由表6 及圖6 可見(jiàn)，頂面試樣的沖擊強(qiáng)度隨著纖維含量變化表現(xiàn)出較好的規(guī)律性，即隨著纖維含量升高，試樣沖擊強(qiáng)度先增大后減小，但變化幅度較小，均值變化范圍在10 kJ／m2左右。制品頂面在平行方向試樣的沖擊強(qiáng)度基本在55～80 kJ／m2，而垂直方向試樣的沖擊強(qiáng)度基本在35～55 kJ／m2，即平行方向試樣較垂直方向試樣的沖擊強(qiáng)度更高。對(duì)于側(cè)面試樣而言，因成型過(guò)程中樹(shù)脂及纖維流動(dòng)情況更加復(fù)雜，沖擊強(qiáng)度則并未呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，但仍可看出平行方向試樣較垂直方向試樣的沖擊強(qiáng)度更高。

表6 不同纖維含量下復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果 kJ／m2

圖6 不同纖維含量下復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度

3 結(jié)論

(1)不同成型壓力下，位于制件相同位置的試樣抵抗變形的能力基本相同；相同成型壓力下，側(cè)面試樣抵抗變形的能力較頂面試樣更強(qiáng)，且隨著成型壓力升高，兩者逐漸趨向一致。

(2)就拉伸強(qiáng)度而言，頂面試樣較側(cè)面試樣更大。頂面試樣拉伸強(qiáng)度基本在45～60 MPa，側(cè)面試樣拉伸強(qiáng)度基本在25～50 MPa。平行試樣的沖擊強(qiáng)度較垂直試樣更大。頂面平行試樣沖擊強(qiáng)度基本在55～90 kJ／m2，頂面垂直試樣沖擊強(qiáng)度基本在35～60 kJ／m2；側(cè)面試樣隨機(jī)性較強(qiáng)，但平行試樣沖擊強(qiáng)度總體大于垂直試樣。

(3)隨成型壓力升高，頂面和側(cè)面試樣拉伸強(qiáng)度均呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢(shì)；隨著纖維含量的升高，頂面試樣拉伸強(qiáng)度先增大再減小，側(cè)面試樣拉伸強(qiáng)度持續(xù)增大。

(4)隨成型壓力升高，頂面試樣沖擊強(qiáng)度先增大再減小，側(cè)面試樣無(wú)明顯規(guī)律；隨纖維含量升高，頂面試樣沖擊強(qiáng)度先增大后減小，但變化幅度較小，均值變化波動(dòng)在10 kJ／m2左右，側(cè)面試樣無(wú)明顯規(guī)律。

(5)大巴在行駛過(guò)程中，會(huì)遇到啟動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、變速、制動(dòng)、顛簸等情況，大巴空調(diào)罩應(yīng)具有較好的沖擊強(qiáng)度并保持一定的拉伸強(qiáng)度，綜合考慮，在成型壓力為10 000 kN、纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%時(shí)，大巴空調(diào)罩制品具有較好的綜合力學(xué)性能。