環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料疲勞損傷微觀分析

黨在清，賈梅蘭

(1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030000；2.中國(guó)輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030000)

由于環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料優(yōu)良的力學(xué)性能及某些特殊的功能，使得其在航空、航天等方面得到了廣泛的應(yīng)用?；|(zhì)樹(shù)脂在高級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料中起著舉足輕重的作用。環(huán)氧樹(shù)脂是最早開(kāi)發(fā)和應(yīng)用最廣泛的一種復(fù)合樹(shù)脂，其加工性能、粘附性、固化后的強(qiáng)度、模量均具備更高的優(yōu)勢(shì)。除此之外，這種特殊的材料還具備較高的力學(xué)強(qiáng)度、耐高溫、分子量小、黏度低、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種高性能的環(huán)氧樹(shù)脂[1]。環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料界面是一種非常重要的微觀組織，是一種連接強(qiáng)化材料與基質(zhì)之間的橋梁，同時(shí)也是基質(zhì)到強(qiáng)化材料之間的紐帶。因而，材料的微觀形態(tài)和機(jī)械性能的關(guān)系就成了當(dāng)今復(fù)合材料研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。這種復(fù)合材料在使用中會(huì)受到一定的沖擊，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的損壞，甚至是應(yīng)用性能的失效[2]。為了確保這一類(lèi)復(fù)合材料能夠在受到?jīng)_擊時(shí)，仍然能夠保持良好的性能狀態(tài)，本文將針對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的疲勞損傷微觀情況進(jìn)行分析研究。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件制備

為實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的疲勞損傷微觀探析，制備環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料試件，采用TDE-85與AG-80環(huán)氧樹(shù)脂材料為基體，分別進(jìn)行了制備[3]。將兩種不同的環(huán)氧樹(shù)脂分別添加到固化劑中，然后通過(guò)模壓成型的方法進(jìn)行了制備。將試驗(yàn)所需試件制備為 2 mm 厚度，采用機(jī)械方法制作 100 mm×100 mm 的正方形沖擊試樣[4]。在對(duì)試件進(jìn)行固化的過(guò)程中，要求固化工藝的溫度為：第一，將溫度控制在 70 ℃～80 ℃ 范圍內(nèi)，持續(xù)固化 1 h；第二，將溫度控制在 150 ℃ 左右，持續(xù)固化 1 h；第三，將溫度控制在 160 ℃～170 ℃ 范圍內(nèi)，持續(xù)固化 1 h。為了保證試驗(yàn)所用的材料浸漬完好，無(wú)空洞、無(wú)熱開(kāi)裂等缺陷，應(yīng)用掃描電子顯微鏡對(duì)各部位進(jìn)行觀察，確保最終制備的試件完整，避免有損傷試件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響[5]。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備選擇

在試驗(yàn)過(guò)程中，除了需要使用上述兩種原材料完成對(duì)試件的制備外，試驗(yàn)過(guò)程中還需要相關(guān)的材料與設(shè)備。各類(lèi)材料和設(shè)備需要確保符合試驗(yàn)要求，否則無(wú)法確保試驗(yàn)最終結(jié)果的可靠性[6]?；诖耍囼?yàn)中還需要的試驗(yàn)材料包括： T300碳纖維、2-乙基-4-甲基咪唑等。為確保試驗(yàn)精度，所選甲基納迪克酸酐要求純度在99.9%以上[7]。試驗(yàn)過(guò)程中所需的設(shè)備包括：試驗(yàn)機(jī)、PTTRX-24PT型號(hào)干燥箱、掃描電子顯微鏡。其中，電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)負(fù)荷為 100 kg；拉伸空間為 800 mm；拉伸速度為 0.001 mm/min～500 mm/min；測(cè)量范圍在 100 kg 以?xún)?nèi)[8]。PTTRX-24PT型號(hào)電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱性能參數(shù)如表1所示。

表1 PTTRX-24PT型號(hào)電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱性能參數(shù)表

掃描電子顯微鏡選用Sigma 300型號(hào)，該型號(hào)掃描電子顯微鏡最大掃描速度為 50 ns/pixel；能譜接口為2/3；圖像存儲(chǔ)分辨率 32 k× 24 k pixels。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的機(jī)載速率設(shè)置為 0.5 mm/min。結(jié)合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將應(yīng)力比控制為R=0.1(σmin/σmax)，其中σmin表示靜態(tài)拉伸極限強(qiáng)度最小值；σmax表示靜態(tài)拉伸極限強(qiáng)度最大值。利用Sigma 300型號(hào)電子顯微鏡對(duì)試件表面基體裂紋形貌進(jìn)行微觀觀察[9]，并將試件端面和端面之間選擇不同的部位。用X射線衍射儀對(duì)衍射圖像進(jìn)行提取，通過(guò)Sigma 300型號(hào)電子顯微鏡對(duì)試件的斷口進(jìn)行微觀觀察。

1.3 試驗(yàn)方法

采用落錘法對(duì)試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。以 1 kg 的落錘和 5 mm 的錘頭為圓心，設(shè)置三種不同的沖擊能量，分別為 7 J、14 J 和 22 J。在進(jìn)行機(jī)械試驗(yàn)時(shí)，試件在 22 J 的撞擊作用下，因材料發(fā)生穿透性斷裂而不能制成試驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)試件[10]。本文所研究的沖擊錘與復(fù)合材料試件都是由六面體元件組成，利用有限元方法對(duì)其進(jìn)行初始速度計(jì)算，并進(jìn)行了模擬計(jì)算。圖1為試件沖擊試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D。

根據(jù)上述論述內(nèi)容，完成對(duì)試件的沖擊試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出試件的疲勞損傷機(jī)制，并對(duì)超聲微觀探傷結(jié)果進(jìn)行分析。

圖1 試件沖擊試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

2 試件疲勞損傷微觀分析

2.1 疲勞損傷機(jī)制分析

為研究環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料疲勞損傷機(jī)理，試驗(yàn)過(guò)程中在 550 MPa 的應(yīng)力強(qiáng)度下，對(duì)試件疲勞斷裂情況進(jìn)行觀察。從宏觀上來(lái)看，斷裂面有纖維斷裂、界面脫黏和層間剝離現(xiàn)象。在纖維表面上沒(méi)有大量的基質(zhì)材料，表明試件的結(jié)合強(qiáng)度較低。對(duì)試件疲勞端口位置用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，可以清晰的看到橋聯(lián)微裂縫。在試驗(yàn)過(guò)程中嘗試將CNTs加入到試件當(dāng)中，并對(duì)其疲勞損傷情況進(jìn)行觀察得出，在基體中添加CNTs后，通過(guò)在纖維-樹(shù)脂-碳納米管之間形成了共價(jià)鍵，可以增強(qiáng)纖維與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，從而增強(qiáng)基體的韌性，SEM結(jié)果表明，純環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)基體的粘接性不佳。另外，CNTs的納米尺度使得CNTs的拉拔以及它們之間的“橋聯(lián)”效應(yīng)能夠使微細(xì)裂紋和裂縫的擴(kuò)散減小，從而使試件的疲勞壽命得到改善。同時(shí)，在拉伸應(yīng)力作用下，應(yīng)力從樹(shù)脂和纖維之間的交界轉(zhuǎn)移到纖維上，使纖維承擔(dān)了大部分的應(yīng)力。在拉應(yīng)力的作用下，部分?jǐn)嗔?，形成一個(gè)較為光滑、平坦的圓形截面，沿纖維的軸向方向垂直。另外，一部分從樹(shù)脂基質(zhì)中抽出并在表面上僅附著少量的樹(shù)脂基質(zhì)而形成束狀纖維。在壓力作用下，復(fù)合材料的截面變得粗糙。在拉伸條件下，材料的應(yīng)力轉(zhuǎn)移方向與拉伸方向相反，主要是由纖維和樹(shù)脂之間的界面轉(zhuǎn)移到樹(shù)脂基質(zhì)中。在樹(shù)脂沒(méi)有被破壞之前，纖維會(huì)受到一種逆向的剪力，從而使其在壓力和剪力的作用下斷裂。同時(shí)，由于壓力的作用，樹(shù)脂基質(zhì)被磨碎為微粒。由于受剪力和壓力的影響，斷裂后的纖維層會(huì)產(chǎn)生變形，從而產(chǎn)生階梯狀的破壞形態(tài)。在壓力作用下，樹(shù)脂基體的粉末狀結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的粉末狀，并產(chǎn)生了大量的細(xì)小粒子。在復(fù)合材料中，界面結(jié)合強(qiáng)度適中是最好的選擇，太強(qiáng)或太弱都會(huì)影響材料的性能。

2.2 超聲微觀探傷結(jié)果分析

為了測(cè)定復(fù)合材料試件的內(nèi)部破壞狀況，利用超聲波 A掃描裝置對(duì)復(fù)合材料試件進(jìn)行了超聲波掃描，以確定其內(nèi)部破壞狀況。同時(shí)，對(duì)受損部位的直徑進(jìn)行了測(cè)量，將超聲微觀探傷結(jié)果記錄如表2所示。

表2 試件超聲微觀探傷結(jié)果記錄表

在表2中，BVID表示試件的損傷狀態(tài)為表面人眼觀察幾乎沒(méi)有損傷；VID表示試件的損傷狀態(tài)為表面人眼觀察存在損傷。由表2中看出，隨著沖擊能的增大，環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的孔隙、分層等問(wèn)題也隨之增多。超聲探測(cè)發(fā)現(xiàn)，超聲反射的數(shù)值越低，則衰減的數(shù)值越高。在 7 J 和14 J 能量的沖擊下，試件的沖擊后能量衰減值相對(duì)較小；而在 22 J 能量的沖擊下，試件的沖擊后能量衰減值相對(duì)較大，并造成了界面位置較為薄弱的問(wèn)題產(chǎn)生。試件在受到?jīng)_擊后，界面位置上會(huì)逐漸吸收部分能量。在 22 J 的碰撞能量下，碳玻璃正交板會(huì)產(chǎn)生多層小的層狀分層，從而降低了碳玻璃正交板的能量衰減。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的疲勞損傷情況進(jìn)行了微觀層面的分析，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定了這種特殊材料的疲勞損傷機(jī)理，同時(shí)通過(guò)超聲探測(cè)的方式明確了該復(fù)合材料的微觀損傷情況。研究得出，試件所受沖擊越大，則其沖擊后的損傷程度越高；同時(shí)，在受到?jīng)_擊時(shí)，試件的碰撞能先被樹(shù)脂吸收，然后產(chǎn)生空穴缺陷，而當(dāng)沖擊能繼續(xù)增加時(shí)，纖維就會(huì)吸收沖擊力。因此為提高這一材料的抗損傷性，可以適當(dāng)增加纖維材料。