梯度過(guò)渡層對(duì)異質(zhì)樹(shù)脂材料并聯(lián)結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度和延性的影響

楊權(quán)權(quán)，曹 鶴，李 蕓，唐友成，朱 帥

(淮陰工學(xué)院，江蘇省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，淮安 223003)

0 引 言

功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)由于具有界面強(qiáng)度高、斷裂韌性好、不易產(chǎn)生應(yīng)力集中等優(yōu)異力學(xué)特性，已在航空航天、機(jī)械工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。FGM的主要特征是材料宏觀性能在空間位置上連續(xù)變化，這一優(yōu)點(diǎn)是在制備過(guò)程中通過(guò)逐漸改變材料組成而獲得的。這種連續(xù)變化可以消除不同組成材料之間的界面突變，進(jìn)而避免由界面應(yīng)力集中引起的斷裂。將FGM用作界面過(guò)渡層連接2種不相容的異質(zhì)材料，可以大大提高異質(zhì)材料間的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而延長(zhǎng)材料結(jié)構(gòu)的服役壽命[2-3]。目前，F(xiàn)GM在2種異質(zhì)材料間的界面力學(xué)行為已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。CHU等[4]分析了功能梯度梁在拉伸和彎曲載荷作用下的力學(xué)行為，討論了梯度彈性層連接2種不同材料時(shí)的界面位移。RIZOV[5-6]理論研究了功能梯度多層梁結(jié)構(gòu)的界面斷裂問(wèn)題，分析了裂紋位置、材料梯度和材料非線性行為對(duì)層間開(kāi)裂的影響。HER等[7]計(jì)算了多層復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)在拉伸和剪切載荷共同作用下界面裂紋的應(yīng)變能釋放率，分析了復(fù)合材料梁層厚對(duì)界面斷裂韌性的影響。HSUEH等[8]研究了任意多層彈性梁在四點(diǎn)彎曲條件下的界面斷裂問(wèn)題，討論了各界面厚度比和彈性模量比對(duì)界面斷裂的影響。PEI等[9]利用激光熔覆技術(shù)制備了AlSi40功能梯度材料并通過(guò)試驗(yàn)研究了梯度材料的界面結(jié)合性能，揭示了AlSi40功能梯度材料和基體的不同失效模式。SEO等[10]通過(guò)爆炸噴涂技術(shù)制備了ZrO2/NiCrAlY功能梯度涂層結(jié)構(gòu)，利用剪切試驗(yàn)測(cè)試了梯度涂層的界面結(jié)合強(qiáng)度。CHAI等[11]針對(duì)口腔修復(fù)體中烤瓷氧化鋯常見(jiàn)的界面開(kāi)裂問(wèn)題，設(shè)計(jì)并制備了梯度結(jié)構(gòu)氧化鋯試樣，通過(guò)試驗(yàn)研究了梯度結(jié)構(gòu)對(duì)界面結(jié)合性能的影響。目前，有關(guān)FGM界面性能的研究大多為理論分析或數(shù)值模擬，試驗(yàn)研究較少；并且，已有的試驗(yàn)研究所用FGM試樣大多通過(guò)氣相沉積、粉末冶金或自蔓延高溫合成等傳統(tǒng)方法制備，這些方法通常無(wú)法精確控制材料組成相的位置。

多材料3D打印基于逐點(diǎn)、逐面的材料累加原理，可在不同部位定向堆積不同材料，從而高效精確地制備得到FGM零部件[12-13]。噴射打印是一種應(yīng)用較早的多材料3D打印技術(shù)，該技術(shù)將材料熔化并按照規(guī)劃路線以液滴狀噴射成形，并通過(guò)熱固化或紫外光固化制備得到零部件，具有很高的幾何打印精度[14-15]。作者針對(duì)硬脆和韌彈兩種性能差異顯著的異質(zhì)樹(shù)脂材料，利用多材料噴射打印技術(shù)制備界面無(wú)過(guò)渡層、含均質(zhì)過(guò)渡層及含兩種寬度梯度過(guò)渡層等4種界面結(jié)構(gòu)的拉伸試樣，通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)試比較了4種界面結(jié)構(gòu)試樣的拉伸性能，分析了梯度過(guò)渡層對(duì)拉伸強(qiáng)度和延性的影響，為存在異質(zhì)材料界面結(jié)構(gòu)工件的力學(xué)性能改進(jìn)提供試驗(yàn)依據(jù)和參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

在Stratasys Connex3 Objet260型3D打印機(jī)提供的材料中，選擇7種不同彈性模量的光敏樹(shù)脂材料進(jìn)行試驗(yàn)。其中：材料1為剛性不透明材料(Vero White Plus)，材料7為類橡膠材料(Tango Black Plus)，材料2～6為打印機(jī)廠商將材料1和材料7按照不同比例混合制得。打印機(jī)廠商僅提供了材料1的彈性模量范圍(2 000～3 000 MPa)，為了獲得材料1～7具體的彈性模量，根據(jù)ASTM D 638-97中拉伸試樣(類型Ⅰ)的幾何尺寸(見(jiàn)圖1)，利用Stratasys Connex3 Objet260型3D打印機(jī)打印制備7種材料的拉伸試樣，每種材料各制備2個(gè)拉伸試樣，并在SANS-CMT5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，采用應(yīng)變控制方式，拉伸速度為5 mm·min-1，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2。試驗(yàn)測(cè)得材料1～7的彈性模量依次為2 154，1 881，1 576，1 174，880，445，145 MPa，拉伸強(qiáng)度逐漸降低，斷裂應(yīng)變逐漸增加，變化趨勢(shì)基本接近于線性。

圖1 拉伸試樣形狀和尺寸Fig.1 Shape and size of tensile specimen

圖2 7種打印材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves for seven printing materials

設(shè)計(jì)了4組不同界面結(jié)構(gòu)的拉伸試樣，試樣形狀和尺寸同圖1，界面結(jié)構(gòu)位于試樣寬度方向中心線處。設(shè)計(jì)的界面結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中：試樣1由材料1和材料7直接黏接而成，無(wú)界面過(guò)渡層，二者彈性模量相差很大；試樣2在材料1和材料7的界面處增加了寬度為3 mm的材料4作為過(guò)渡層(均質(zhì)過(guò)渡層)，材料4的彈性模量介于材料1和材料7之間，在一定程度上能起到過(guò)渡緩沖作用；試樣3和試樣4在材料1和材料7界面處均增加了梯度過(guò)渡層，梯度過(guò)渡層的寬度分別為3 mm和5 mm，均由材料2～6依次打印而成，每層的寬度均相等。

圖3 拉伸試樣的界面結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Interface structure diagram of tensile specimen:(a)specimen 1;(b)specimen 2;(c)specimen 3 and (d)specimen 4

利用Solidworks軟件對(duì)4種試樣進(jìn)行建模，在建模過(guò)程中不同材料部分需先單獨(dú)建模，再裝配成多材料結(jié)構(gòu)模型，輸出為STL格式文件并導(dǎo)入Stratasys Connex3 Objet260型3D打印機(jī)軟件中，在軟件中選擇相應(yīng)的材料，打印出上述4組不同界面結(jié)構(gòu)拉伸試樣。使用DSX100型超景深顯微鏡觀察拉伸試樣表面形貌，通過(guò)Axio Imager型光學(xué)顯微鏡觀察試樣界面微觀形貌。使用SANS-CMT5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為5 mm·min-1。拉伸斷裂后，使用DSX100型超景深顯微鏡觀察拉伸斷口側(cè)面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面和界面形貌

由圖4可以看出，4種試樣表面光滑，界面清晰，無(wú)明顯的宏觀裂紋缺陷。

圖4 4種試樣的宏觀照片及其中心處表面形貌Fig.4 Macroscopic photos of four specimens and their surface morphology at center

由圖5可以看出：試樣1中材料1和材料7由于成分、性能存在明顯差異，二者直接黏接時(shí)界面處存在明顯紋道和較多孔洞，2種材料在界面處未能有效熔合，界面成形質(zhì)量較差；試樣2由于在材料1和材料7界面處添加了性能介于2種材料之間的材料4作為過(guò)渡層，界面處缺陷明顯減少，界面熔合程度得到提高，成形質(zhì)量較好；試樣3和試樣4在材料1和材料7之間添加了梯度過(guò)渡層，相鄰材料的成分、性能差異更小，界面結(jié)合良好，基本無(wú)孔洞等缺陷，其中過(guò)渡層寬度較小的試樣3的界面熔合程度最好，成形質(zhì)量最高。

圖5 4種試樣的界面微觀形貌Fig.5 Interface micromorphology of four specimens:(a)specimen 1;(b)specimen 2;(c)specimen 3 and (d)specimen 4

2.2 拉伸性能

由圖6可見(jiàn)：4種試樣均在屈服階段達(dá)到了最大應(yīng)力(即拉伸強(qiáng)度)，且均出現(xiàn)了應(yīng)變軟化效應(yīng)，即應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而減小；在彈性階段，4種試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系十分接近，進(jìn)入塑性階段以后，4種試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系出現(xiàn)明顯區(qū)別。試驗(yàn)測(cè)得試樣1、試樣2、試樣3和試樣4的拉伸強(qiáng)度分別為20.71，21.11，21.84，21.38 MPa，斷裂應(yīng)變分別為11.99%，10.21%，13.26%，16.54%。試樣2、試樣3和試樣4的拉伸強(qiáng)度與試樣1相差不大，僅分別略微提高了1.9%，5.5%，3.2%；試樣2的斷裂應(yīng)變比試樣1降低了14.8%，而試樣3和試樣4的斷裂應(yīng)變分別比試樣1提高了10.6%，37.9%。

圖6 4種試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves for four specimens

綜上可見(jiàn)：在材料1和材料7之間添加性能介于二者之間的均質(zhì)過(guò)渡層后，試樣強(qiáng)度有所提高，但是延性變差；在材料1和材料7之間添加梯度過(guò)渡層則同時(shí)提高了試樣的強(qiáng)度和延性，若進(jìn)一步增加梯度層寬度，則可以使試樣在強(qiáng)度微弱降低的情況下進(jìn)一步提高延性。結(jié)合圖5分析可知：在界面添加均質(zhì)過(guò)渡層后，界面缺陷明顯減少，成形質(zhì)量得到提高，因此試樣2的拉伸強(qiáng)度高于試樣1；試樣3的界面熔合效果最好，成形質(zhì)量最高，所以拉伸強(qiáng)度最大。

由圖7可以看出，4種試樣中的材料1斷口平齊，未觀察到明顯塑性變形,材料7斷口處的厚度較原始厚度略微減小，斷口上可見(jiàn)纖維區(qū)?？芍牧?和材料7均分別呈現(xiàn)出脆性斷裂和韌性斷裂特點(diǎn)。在應(yīng)變控制加載方式下，4種試樣在拉伸斷裂前，其內(nèi)部各材料層的應(yīng)變相等。材料1的斷裂應(yīng)變最小，因此材料1一側(cè)最先發(fā)生斷裂，而后依次為材料2→材料7，在此過(guò)程中各材料層所承擔(dān)的載荷在其斷裂后全部轉(zhuǎn)移至剩余材料層承擔(dān)。材料1和材料7在試樣中的含量同為最高，但材料1的拉伸強(qiáng)度最大，所以材料1是拉伸過(guò)程中的主承載體，試樣的拉伸強(qiáng)度主要依賴于材料1的強(qiáng)度；材料1斷裂后轉(zhuǎn)移的載荷很大，試樣很快將發(fā)生整體破壞，所以圖6中應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為平滑，沒(méi)有出現(xiàn)跳躍突變。

圖7 4種拉伸試樣斷口側(cè)面宏觀形貌Fig.7 Macromorphology of fracture sides of four specimens:(a)specimen 1;(b)specimen 2;(c)specimen 3 and (d)specimen 4

2.3 拉伸強(qiáng)度理論計(jì)算

根據(jù)并聯(lián)復(fù)合材料混合定律，計(jì)算理論拉伸強(qiáng)度。若只考慮試樣內(nèi)各材料的體積分?jǐn)?shù)，忽略其他影響因素，則并聯(lián)復(fù)合試樣在水平拉伸載荷F作用下，各材料層平行承受載荷，如圖8所示。每個(gè)材料層所受載荷若用Fi表示，則有

圖8 并聯(lián)復(fù)合試樣受力示意Fig.8 Loading diagram of parallel composite specimen

F=∑Fi(i=1,2,…,7)

(1)

σA=∑σiAi(i=1,2,…,7)

(2)

式中：σ，σi分別為材料破壞前試樣整體和試樣內(nèi)各材料層所受應(yīng)力；A，Ai分別為試樣整體和各材料層的橫截面積。

式(2)兩邊同時(shí)除以A可得

σ=∑σiφi

(3)

式中：φi為試樣中各材料層的體積分?jǐn)?shù)，即Ai/A。

由2.2節(jié)中的試驗(yàn)結(jié)果可知，復(fù)合試樣在材料1失效后將發(fā)生整體破壞，所以有

σu=σu1V1+∑iVi

(4)

式中：σu，σu1分別為試樣和材料1的拉伸強(qiáng)度；i為材料1達(dá)到拉伸強(qiáng)度時(shí)其余各材料對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。

由圖2可知，當(dāng)材料1達(dá)到拉伸強(qiáng)度(46.33 MPa)時(shí)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.47%，該應(yīng)變下材料2～7對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分別為36.39，29.34，21.95，18.24，9.58，3.46 MPa。則由式(4)計(jì)算得到試樣1、試樣2、試樣3和試樣4的拉伸強(qiáng)度分別為24.90，24.22，24.48，24.51 MPa。4種試樣的理論拉伸強(qiáng)度相差很小，與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差分別在20.2%，14.7%，12.1%，14.6%，相對(duì)誤差較大，并且理論值均高于試驗(yàn)值。這主要是因?yàn)槔没旌隙蛇M(jìn)行理論計(jì)算時(shí)只考慮了各材料的體積分?jǐn)?shù)，忽略了真實(shí)試樣孔洞缺陷、空隙含量、界面結(jié)合質(zhì)量等因素的影響。

3 結(jié) 論

(1)將硬脆和韌彈樹(shù)脂材料直接黏接，二者界面處存在明顯紋道和較多孔洞缺陷，界面成形質(zhì)量較差；在界面處添加彈性模量介于硬脆和韌彈材料之間的均質(zhì)材料過(guò)渡層后，界面處缺陷明顯減少，界面熔合程度得到提高，成形質(zhì)量較好；在界面處添加由彈性模量介于二者之間的5種材料組成的梯度過(guò)渡層后，界面結(jié)合良好，基本無(wú)孔洞等缺陷，并且過(guò)渡層寬度較小的界面熔合程度最好，成形質(zhì)量最高。

(2)在硬脆和韌彈樹(shù)脂材料界面添加均質(zhì)材料過(guò)渡層后，試樣的拉伸強(qiáng)度略微增大，但是延性明顯降低，斷裂應(yīng)變降低了14.8%；界面添加梯度過(guò)渡層后，試樣的拉伸強(qiáng)度略微增大，延性明顯提高，斷裂應(yīng)變分別比無(wú)界面過(guò)渡層的提高了10.6%(過(guò)渡層寬度為3 mm)和37.9%(過(guò)渡層寬度為5 mm)。

(3)根據(jù)并聯(lián)復(fù)合材料定律計(jì)算得到的4種試樣的拉伸強(qiáng)度相差不大，與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差較大且高于試驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)是由于計(jì)算時(shí)忽略了孔洞缺陷、空隙含量、界面結(jié)合質(zhì)量等因素的影響。