付 倬，張冬初，陳枝晴，戴文利

（1．湘潭大學(xué)化學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭411105；2．湖南科技職業(yè)學(xué)院化學(xué)系，湖南 長沙410004）

0 前言

PE－HD由于其質(zhì)輕、價(jià)廉、易成型加工、良好的抗沖擊性能而被廣泛應(yīng)用，然而，PE－HD的分子結(jié)構(gòu)限制了其強(qiáng)度和模量，無機(jī)粒子硅灰石的加入可以克服以上缺點(diǎn)，但材料的韌性會隨著無機(jī)填料的加入而降低。為了保持材料韌性和剛性的平衡，筆者加入彈性體POE－g－MAH，制備 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH復(fù)合材料并研究其斷裂力學(xué)行為。

近些年來，Broberg［1］提出的EWF法被廣泛用于研究韌性聚合物的斷裂行為。EWF法認(rèn)為，拉斷一個(gè)雙邊缺口試樣所需的總斷裂功（Wf）可以分為基本斷裂功與非基本斷裂功兩部分，即消耗在內(nèi)部裂紋擴(kuò)展區(qū)的能量We和消耗在外部塑性形變區(qū)的能量Wp［如式（1）所示］。雙邊缺口拉伸試樣及其能量消耗區(qū)如圖1所示（圖1中H為試樣長度，W為試樣寬度，t為試樣厚度，l為韌帶長度）。

圖1 雙邊缺口拉伸試樣外觀圖Fig．1 Image of a double－edge－notched tension sample

對一定厚度t的試樣，we與韌帶長度即試樣缺口剩余長度l成正比，wp與l2成正比。所以式（1）可寫為：

式中wf——比總斷裂功

we——比基本斷裂功，即裂紋擴(kuò)展單位面積所做的功

wp——比非基本斷裂功

β——塑性形變因子，僅與試樣的形狀有關(guān)

從式（3）可以看出wf與l應(yīng)成線性關(guān)系，對一組不同韌帶長度的試樣做wf～l圖，若得一條直線，將直線延長至y軸的截距即為we，斜率為βwp。

另外，還可以將總斷裂功分為載荷下降前消耗于屈服過程的功wy和載荷下降后消耗于成頸撕裂過程的功wn，即：

式中we，y——材料屈服過程的比基本斷裂功

we，n——材料成頸撕裂過程的比基本斷裂功

β′wp，y——材料屈服過程的比非基本斷裂功

β″wp，n——材料成頸撕裂過程比非基本斷裂功

Mai［2］，Karger－Kocsis［3］和 Hashemi［4］等用 EWF法對處于純平面應(yīng)力狀態(tài)下試樣（試樣的尺寸為3t≤l≤W／3）的斷裂行為進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的研究成果。近年來經(jīng)Jar等［5］的發(fā)展與推廣并把該法成功用于研究處于純平面應(yīng)變（試樣的尺寸為l≤t）狀態(tài)下試樣的斷裂行為。然而，除了薄膜材料，大部分的平板處于平面應(yīng)力和平面應(yīng)變之間的狀態(tài)，因此研究試樣在過渡狀態(tài)下的斷裂行為具有很重要的意義。本文所選試樣的尺寸處于兩者之間即過渡區(qū)t＜l＜3t，對于過渡區(qū)的數(shù)據(jù)處理用指函數(shù)［6］或線性函數(shù)［7］回歸，本文用線性回歸來處理過渡區(qū)的數(shù)據(jù)。對該體系EWF方法的適用效果以及試樣所處的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)證，成功得到了各斷裂功參數(shù)，并研究了不同硅灰石含量對復(fù)合材料斷裂行為的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原料

PE－HD，5000S，中國石油蘭州石化公司；

硅灰石，Nfw－Xa1500，新余市南方硅灰石實(shí)業(yè)公司；

硅烷偶聯(lián)劑，KH－550，江蘇晨光偶聯(lián)劑有限公司；

POE－g－MAH，CMG9805，接枝率0．7%～0．9%，上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司。

1．2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī)，SJSH－30，南京橡塑機(jī)械廠；

注塑機(jī)，HTB－80，寧波海天塑料機(jī)械廠；

缺口制樣機(jī)，XQZ－I，承德金建檢測儀器有限公司；

沖擊試驗(yàn)機(jī)，XJU－22，承德金建檢測儀器有限公司；

電子萬能試驗(yàn)機(jī)，RQT－10，深圳瑞格爾儀器有限公司。

1．3 樣品制備

將硅灰石經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH－550進(jìn)行表面處理后與其他原料按表1的質(zhì)量配比在混料機(jī)內(nèi)攪拌混勻，在同向雙螺桿擠出機(jī)上擠出造粒，然后將干燥后的粒料加入注塑機(jī)，注塑成尺寸為125mm×10mm×4mm，缺口深度為2mm的U形缺口沖擊樣條以及尺寸為125mm×12mm×3mm的矩形樣條，并用缺口制樣機(jī)制成尺寸為60mm×12mm×3mm的雙邊缺口拉伸試樣，其外觀如圖1所示，雙邊缺口拉伸試樣的韌帶長度為4～8mm。

表1 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH復(fù)合材料的組成Tab．1 Composition of PE－HD／wollastonite／POE－g－MAH composites

1．4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

不同韌帶長度的雙邊缺口拉伸試樣的載荷位移曲線由電子萬能試驗(yàn)機(jī)在室溫（23±2℃）下按照GB／T 1040—1990進(jìn)行測試，拉伸速率為5mm／min，試驗(yàn)記錄載荷－位移曲線；

沖擊強(qiáng)度由簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)按照GB／T 1043—1993進(jìn)行測試，試樣缺口深度2mm，U形缺口。

2 結(jié)果與討論

2．1 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH復(fù)合材料的斷裂行為

圖2記錄了各雙邊缺口拉伸樣條從開始拉伸到撕裂的力學(xué)過程，曲線下的面積為總斷裂功。從圖2可以看出，任一材料成分相同的一組試樣，所有曲線的形狀都有良好的自相似性，即屈服點(diǎn)前曲線的斜率基本一致，最大載荷、斷裂總位移以及曲線下的面積都隨韌帶長度增大而依次增大；其次，成分不同的試樣的曲線在韌帶長度變化范圍內(nèi)具有相似的變化特征，即隨著位移的增加，試樣承受的載荷逐漸增大，出現(xiàn)最大值后，迅速成頸，然后隨著位移的繼續(xù)增大，載荷緩慢地降低最后至試樣撕裂。表明所有試樣均顯示韌帶完全屈服和裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的特點(diǎn)，并以一種韌性斷裂的方式發(fā)生斷裂，符合EWF法的使用前提［8］。

圖2 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH復(fù)合材料不同韌帶長度時(shí)的雙邊缺口拉伸樣條的載荷－位移曲線Fig．2 Load－displacement curves for DENT samples of PE－HD／wollastonite／POE－g－MAH composites at different ligament lengths

2．2 過渡狀態(tài)下EWF測試條件的驗(yàn)證

根據(jù)ESIS提出的EWF測試方案，可以用Hill［9］判據(jù)來檢驗(yàn)試樣在測試過程中的受力狀態(tài)。Hill規(guī)則認(rèn)為同種材料不同初始韌帶長度的雙邊缺口拉伸試樣，其最大凈截面應(yīng)力（σnet）（σnet＝Pm／lt，由載荷 －位移的最大載荷除以韌帶區(qū)初始截面積求得）小于1．15σy（σy為根據(jù)ASTMD 638拉伸測試得到的材料屈服應(yīng)力）時(shí)為純平面應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)σnet大于2．97σy時(shí)為純平面應(yīng)變狀態(tài)；當(dāng)σnet處于1．15σy與2．97σy兩者之間時(shí)試樣處于平面應(yīng)力與平面應(yīng)變兩者之間的混合狀態(tài)即過渡狀態(tài)。將各組復(fù)合體系雙邊缺口拉伸試樣由載荷－位移曲線得到的最大凈截面應(yīng)力σnet對相應(yīng)的初始韌帶長度作圖，如圖3所示。從圖3可以看到，各復(fù)合材料的數(shù)據(jù)點(diǎn)都位于1．15σy線與2．97σy線之間。由 Hill規(guī)則可知，這些試樣的EWF測試是在過渡狀態(tài)下進(jìn)行的。結(jié)合2．1節(jié)中由載荷位移曲線觀察到的現(xiàn)象可知，各PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 復(fù)合材料均可以滿足應(yīng)用EWF方法的條件。

圖3 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH復(fù)合材料的最大凈截面應(yīng)力與初始韌帶長度的關(guān)系Fig．3 Plots for the maximumnet－section stress of PE－HD／wollastonite／POE－g－MAH composites versus ligament length

2．3 斷裂韌性與EWF參數(shù)

對各組式樣的載荷－位移曲線積分求得各比總斷裂功。PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 復(fù)合材料雙邊缺口拉伸試樣的比總斷裂功wf以及屈服前、后的比總斷裂功wy、wn與韌帶長度l的關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出，各組試樣的總比斷裂功與韌帶長度之間均具有較好的線性關(guān)系，R2值都在0．95以上，表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的參考價(jià)值。將比總斷裂功與l線性回歸后，由回歸直線得到的各材料的斷裂功參數(shù)we、we，y、we，n和βwp、β′wp，y、β″wp，n列于表2。

表2 不同硅灰石含量的復(fù)合材料的雙邊缺口拉伸試樣的EWF參數(shù)Tab．2 EWF parameters of DENT samples of the composites with different wollastonite contents

圖4 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 復(fù)合材料的wf、wy、wn與韌帶長度的關(guān)系Fig．4 Relationship between wf，wyand wn of PE－HD／wollastonite／POE－g－MAH composites and ligament length

2．3．1 斷裂韌性與塑性功的變化

從表2可以看出，隨硅灰石含量的增加，PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH復(fù)合材料的比基本斷裂功we增加，說明對PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 復(fù)合材料中，隨硅灰石含量的增加，復(fù)合材料的斷裂韌性即抵抗裂紋擴(kuò)展的能力得到提高，這可能是隨著硅灰石含量的增加，硅灰石粒子數(shù)量越多，起到傳遞應(yīng)力與穩(wěn)定裂紋的作用越大，使共混物的we值得以明顯增加。然而，當(dāng)硅灰石含量增加時(shí)，復(fù)合材料的比非基本斷裂功βwp下降，表明當(dāng)硅灰石含量增加時(shí)，復(fù)合材料塑性形變的能力降低，這是由于硅灰石粒子與基體之間的相互作用力減弱，更容易從基體中滑脫、拔出，致使材料塑性形變的能力降低。

2．3．2 屈服前后的斷裂性能

從表2可以看出，隨硅灰石含量的增加材料屈服前的比基本斷裂功we，y與屈服后的比基本斷裂功we，n逐漸增加。對相同硅灰石含量的組分，we，y明顯小于we，n，即材料屈服后表現(xiàn)出較高的裂紋抗展阻力?？梢?，PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 復(fù)合材料的斷裂韌性主要取決于材料屈服后抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。

隨著硅灰石含量的增加，復(fù)合材料的比塑性功β′wp，y與β″wp，n呈減小趨勢，β″wp，n大于β′wp，y，表明PEHD／硅灰石／POE－g－MAH 復(fù)合材料的變形能力更依賴于屈服后的塑性行為。

2．4 沖擊性能

從表3可以看出，PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度隨硅灰石含量的增加而減小。這是因?yàn)楣杌沂Ｗ雍枯^高時(shí)，團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，沖擊強(qiáng)度隨團(tuán)聚體數(shù)量的增加而降低。

表3 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度Tab．3 Impact strength of PE－HD／wollastonite／POE－g－MAH composites

由表2、表3可知，PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度的變化與其比塑性功βwp的變化是一致的，然而缺口沖擊強(qiáng)度高的材料其比基本斷裂功we卻較小。復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度主要體現(xiàn)材料發(fā)生塑性形變的能力，而斷裂韌性we主要體現(xiàn)材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。說明沖擊強(qiáng)度值難以反映材料抵抗內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的能力，對材料在較低作用速率和較低作用應(yīng)力下的破壞行為的評價(jià)缺乏參考價(jià)值［10］。

3 結(jié)論

（1）EWF方法可用于研究聚烯烴復(fù)合材料如PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 復(fù)合材料處于過渡狀態(tài)下試樣的斷裂行為；

（2）隨著硅灰石含量的增加，PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH復(fù)合材料的比基本斷裂功we增加，比塑性功βwp降低；復(fù)合材料的斷裂韌性主要取決于屈服后材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，復(fù)合材料的塑性變形能力也更依賴于屈服后的行為；

（3）PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度隨著硅灰石含量的增加而降低，缺口沖擊強(qiáng)度高的材料比基本斷裂功卻較??；復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度主要體現(xiàn)材料發(fā)生塑性形變的能力，而斷裂韌性we主要體現(xiàn)材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，沖擊強(qiáng)度值難以反映材料抵抗內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的能力，對材料在較低作用速率和較低作用應(yīng)力下的破壞行為的評價(jià)缺乏參考價(jià)值。

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