張 楊, 沈春銀, 李 賓, 方 荀, 戴干策

(華東理工大學(xué)1.機(jī)械與動力工程學(xué)院; 2.化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)

玻纖分布層合熱塑性復(fù)合材料的力學(xué)性能及其失效行為

張 楊1, 沈春銀2, 李 賓1, 方 荀2, 戴干策2

(華東理工大學(xué)1.機(jī)械與動力工程學(xué)院; 2.化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)

使用連續(xù)玻纖氈和玻纖網(wǎng)格布兩種形態(tài)增強(qiáng)體,通過宏觀不均勻增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在連續(xù)化運(yùn)行的雙鋼帶壓機(jī)上制備得到了玻纖分布層合熱塑性復(fù)合材料,探討了玻纖增強(qiáng)體分布層合結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料力學(xué)性能及其失效破壞行為的影響。結(jié)果表明,玻纖增強(qiáng)體的宏觀不均勻?qū)雍辖Y(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的拉伸及彎曲性能的影響存在差異;連續(xù)玻纖氈位于外側(cè)的分布層合結(jié)構(gòu)能夠抑制裂紋在垂直于拉力方向的擴(kuò)展,層間分離的同時使更多的纖維束拔出斷裂,顯著改善了復(fù)合材料的拉伸性能;玻纖網(wǎng)格布位于外側(cè)的分布層合結(jié)構(gòu)則使其彎曲性能明顯提高,外側(cè)玻纖網(wǎng)格布中取向的玻纖呈現(xiàn)張力破壞使復(fù)合材料能夠承受更高的彎曲載荷;分布層合結(jié)構(gòu)中引入的玻纖網(wǎng)格布發(fā)揮了纖維束增韌作用,大幅提高了復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度;與玻纖氈增強(qiáng)熱塑料復(fù)合材料(GMT)相比,適宜的分布層合結(jié)構(gòu)可使復(fù)合材料的拉伸及彎曲性能提高59%～76%、沖擊強(qiáng)度提高53%。

玻纖復(fù)合材料; 增強(qiáng)體分布; 層合結(jié)構(gòu); 力學(xué)性能; 失效破壞

熱塑性復(fù)合材料因力學(xué)性能良好、密度較低、易于成型加工、制品結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性好及存儲限制少等特性在航空航天、交通運(yùn)輸、新能源等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。隨著社會的發(fā)展和應(yīng)用的深入,傳統(tǒng)復(fù)合材料的性能無法滿足日益增長的需求,國家“十三五”規(guī)劃明確將通用材料的高性能化作為重點(diǎn)研究方向。

使用高性能增強(qiáng)體對通用塑料增強(qiáng)是一種行之有效的手段,但是隨著復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,具備單一增強(qiáng)體的復(fù)合材料的性能越來無法滿足多元化的需求。復(fù)合材料的組合形式發(fā)生了變化,一是增強(qiáng)相的微觀化,比如納米粒子增強(qiáng)塑料的出現(xiàn);另一種則是組分的多元化,比如混雜復(fù)合材料的出現(xiàn)。雖然增強(qiáng)相的微觀化和組分的多元化成果顯著,但是也帶來了諸多不便,特別是對于通用材料而言,復(fù)雜的工藝和較高的原料成本是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵[5-8]。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以分為微觀結(jié)構(gòu)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)3種。在熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域,納米材料增強(qiáng)和混雜增強(qiáng)兩種方法主要著力于增強(qiáng)相的類型選擇、制備目的追求細(xì)觀異相、宏觀均相的復(fù)合體系,屬于材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而直接對復(fù)合材料宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究比較少[9-12]。路惠玲等[13]通過控制連續(xù)玻纖氈增強(qiáng)復(fù)合材料過程中基體膜的厚度,得到了在垂直方向上具備玻璃纖維含量梯度分布的連續(xù)玻纖氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(GMT),結(jié)果表明具備玻纖分布能夠在一定程度上提升材料的性能。王劍磊等[14]利用雙鋼帶壓機(jī)制備了玻纖網(wǎng)格布增強(qiáng)PC復(fù)合材料,研究了制備工藝和疊層結(jié)構(gòu)對材料性能的作用規(guī)律。方荀等[15]采用連續(xù)單向纖維和長纖維氈制備了組合增強(qiáng)材料,發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)纖維對材料整體性能有各自不同的貢獻(xiàn)。已有的研究表明,連續(xù)纖維氈的適宜分布可使GMT的彎曲性能提高25%,但會損失其韌性;玻纖網(wǎng)格布的均勻分布可使復(fù)合材料的拉伸模量有60%的提升;單向連續(xù)纖維則能顯著改善片材的沖擊性能?？梢?增強(qiáng)體的形態(tài)及其分布結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的力學(xué)性能有著不同的影響機(jī)制,如何利用各自的優(yōu)勢以改善其力學(xué)性能、拓展應(yīng)用領(lǐng)域是亟待解決的問題。

連續(xù)玻纖氈由連續(xù)纖維隨機(jī)拋絲針刺而成,是最簡單的非織造3D結(jié)構(gòu),其熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用廣泛。玻纖網(wǎng)格布是一種2D編織結(jié)構(gòu),即用無捻粗紗進(jìn)行正交編織得到的平紋織物,是玻纖織物中最簡單的一種形式,性能優(yōu)異、價格較低廉,用作增強(qiáng)體時成本較低。本文使用連續(xù)玻纖氈和玻纖網(wǎng)格布,進(jìn)行不同形態(tài)玻纖增強(qiáng)體的宏觀不均勻分布層合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),考察了不同結(jié)構(gòu)下復(fù)合材料的力學(xué)性能,并討論了增強(qiáng)及受力破壞的失效行為。

1 原料和儀器

1.1原料

玻纖網(wǎng)格布:面密度400 g/m2,泰山玻璃纖維有限公司;連續(xù)玻纖氈:600 g/m2,泰山玻璃纖維有限公司;Y2600T,上海石油化工有限公司;K7926,上海賽科石油化工有限責(zé)任公司;馬來酸酐接枝聚丙烯(MPP):上海仲真材料科技公司?？寡鮿?1010、168,瑞士氣巴基嘉公司。

1.2設(shè)備和儀器

平板硫化機(jī):YX-25型,上海西瑪偉力模塑機(jī)械公司;鼓風(fēng)烘箱:101A-3型(300 ℃),上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠;雙螺桿擠出機(jī):GE218130-41型,盧森堡Gauder集團(tuán);雙鋼帶壓機(jī):實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā);萬能試驗(yàn)機(jī):CMT4204型,深圳新三思試驗(yàn)設(shè)備有限公司;沖擊試驗(yàn)機(jī):XJU-2.75型,承德試驗(yàn)機(jī)有限公司; 數(shù)碼顯微鏡:BL-SW640,BELONA,鄂州市貝朗科技有限公司;掃描電子顯微鏡(SEM):JSM-6360LV型,日本電子株式會社。

1.3材料的制備

1.3.1 聚丙烯基體膜制備 將聚丙烯樹脂、助劑及相容劑MPP按計(jì)量比例混合均勻后,在雙螺桿擠出機(jī)上擠出制膜,得到經(jīng)相容劑MPP改性的聚丙烯薄膜基體。

1.3.2 玻纖分布層合復(fù)合片材的制備 為了得到具備玻纖增強(qiáng)體宏觀不均勻分布的復(fù)合材料,選用玻纖網(wǎng)格布和連續(xù)玻纖氈兩種不同形態(tài)的增強(qiáng)體,對材料進(jìn)行了分布層合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖1所示。圖1(a)為外側(cè)分布玻纖網(wǎng)格布,居中分布單層連續(xù)玻纖氈;圖1(b)為外側(cè)分布玻纖網(wǎng)格布,芯層分布兩層連續(xù)玻纖氈;圖1(c)為外側(cè)分布連續(xù)玻纖氈,芯層分布兩層玻纖網(wǎng)格布。

將連續(xù)玻纖氈和玻纖網(wǎng)格布在105 ℃下干燥2 h之后,按照圖1中的分布層合結(jié)構(gòu),與聚丙烯薄膜疊加一起通過雙鋼帶壓機(jī)熔融浸漬得到復(fù)合片材。控制復(fù)合片材總的玻纖含量為40% (質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。圖2所示為制備過程的流程圖。

1.4材料的測試和表征

1.4.1 力學(xué)性能測試 根據(jù)GB/T 1447—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸性能的測試,測試條件:模量速率設(shè)定為2 mm/min,強(qiáng)度速率設(shè)定為5 mm/min,每組樣品測試5根樣條,取平均值。

根據(jù)GB/T 1449—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行彎曲性能的測試,測試條件:模量速率設(shè)定為2 mm/min,強(qiáng)度速率設(shè)定為2 mm/min,每組樣品測試5根樣條,然后取平均值。

根據(jù)GB/T 1843—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有缺口的沖擊強(qiáng)度的測試,每組樣選取5根樣條進(jìn)行,然后取平均值。

1.4.2 斷面形貌分析 試樣的宏觀表現(xiàn)形態(tài),采用數(shù)碼攝像機(jī)進(jìn)行采樣拍攝。放大倍數(shù)40～200倍。測試樣條的斷面進(jìn)行噴金處理后,經(jīng)SEM獲取圖片。

圖2 玻璃增強(qiáng)體分布層合復(fù)合片材示意圖Fig.2 Schematic diagram of composites with glass fiber reinforcement distribution-layering structure

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1片材外觀及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)

經(jīng)過雙鋼帶壓機(jī)制備板材,得到不同分布層合結(jié)構(gòu)復(fù)合片材的表面形態(tài)(圖3)。由圖3可以看出,3種分布層合結(jié)構(gòu)片材的表面比較光滑、具有亞光特質(zhì),其中結(jié)構(gòu)A及B的表面明顯可見玻纖網(wǎng)格布的紋理痕跡。由此可見,在相同的雙鋼帶壓機(jī)運(yùn)行工藝條件下,基體樹脂對連續(xù)玻纖氈及玻纖網(wǎng)格布的滲透浸漬效果總體相似,均可制得外觀良好的分布層合結(jié)構(gòu)玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料。

圖4示出了3種不同片材的SEM斷面形態(tài)。由圖4可以看出,分布層合結(jié)構(gòu)中玻纖網(wǎng)格布纖維束并沒有明顯的扭曲和擴(kuò)散現(xiàn)象,玻纖網(wǎng)格布層和連續(xù)玻纖氈層分層明顯,表明所制備的復(fù)合片材保持了增強(qiáng)體的宏觀不均勻分布層合結(jié)構(gòu)。

2.2拉伸性能及其拉伸失效行為

不同玻纖分布層合結(jié)構(gòu)的復(fù)合片材拉伸性能如圖5所示。圖5的結(jié)果表明,由于增強(qiáng)體的空間分布不同,片材性能有很大差別。與GMT相比,A、B、C 3種結(jié)構(gòu)的復(fù)合片材拉伸強(qiáng)度分別提高了31.7%、42.2%和59.5%,拉伸模量分別高出13.0%、23.7%和59.6%,表明玻纖網(wǎng)格布的加入的確能明顯增強(qiáng)材料性能。同時,結(jié)構(gòu)B的拉伸強(qiáng)度和模量比結(jié)構(gòu)A的分別提高了7.9%和9.4%,即內(nèi)部連續(xù)玻纖氈分布層數(shù)的增加可以增強(qiáng)材料性能。進(jìn)一步地,結(jié)構(gòu)C中的增強(qiáng)體分布與結(jié)構(gòu)B的相反,而結(jié)構(gòu)C片材的拉伸強(qiáng)度和彈性模量比結(jié)構(gòu)B的又提高了12.2%和29.0%,也即玻纖網(wǎng)格布分布于片材中部對材料拉伸性能提升最明顯。

圖3 不同玻纖增強(qiáng)體分布層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的的外觀形態(tài)Fig.3 Appearance of composites with different glass fiber reinforcement distribution-layering structures

圖4 玻纖分布層合復(fù)合片材截面SEM圖Fig.4 Cross section SEM of glass fiber reinforcement distribution-layering structure composite sheets

玻纖網(wǎng)格布層在受到縱向的拉伸應(yīng)力作用時,由于縱向纖維束的高度取向,其承擔(dān)應(yīng)力效果高于無規(guī)取向的連續(xù)玻纖氈增強(qiáng)體,所以其縱向強(qiáng)度閾值遠(yuǎn)高于連續(xù)玻纖氈層的強(qiáng)度。玻纖網(wǎng)格布橫向纖維束由于與拉伸應(yīng)力呈90°,無法發(fā)揮玻纖增強(qiáng)效能,僅靠纖維與基體之間的界面黏結(jié)作用承擔(dān)應(yīng)力,所以玻纖網(wǎng)格布橫向強(qiáng)度閾值低于連續(xù)玻纖氈層強(qiáng)度。圖6所示為拉伸試樣的斷口形態(tài),可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合片材的拉伸斷裂缺口均在玻纖網(wǎng)格布橫向纖維束處。這也與圖4中的玻纖網(wǎng)格布纖維束內(nèi)存在大量空隙、浸漬差相一致。這些空隙是復(fù)合片材中的主要缺陷,成為與應(yīng)力垂直方向的明顯薄弱點(diǎn)。

圖5 不同玻纖分布層合結(jié)構(gòu)復(fù)合片材的拉伸性能Fig.5 Tensile performance of composites with different distribution-layering structures

由圖6可見,層合結(jié)構(gòu)B片材的拉伸試樣斷口處有明顯的纖維拔出,長度明顯大于層合結(jié)構(gòu)A的纖維拔出;圖6(d)顯示層合結(jié)構(gòu)B片材在斷口處十分毛糙,而結(jié)構(gòu)A則相對整齊。這表明采用層合結(jié)構(gòu)B的復(fù)合片材在即將失效時,裂紋擴(kuò)展是圍繞一片區(qū)域附近發(fā)展的,而結(jié)構(gòu)A則是裂紋直接由材料內(nèi)部缺陷開始迅速擴(kuò)展成宏觀裂縫。層合結(jié)構(gòu)A和B的差異在于玻纖連續(xù)氈的分布,表明中間的連續(xù)玻纖氈層對外部玻纖網(wǎng)格布層裂紋擴(kuò)展有一定影響,玻纖連續(xù)氈多層分布能夠改變裂紋擴(kuò)展路徑,從而延緩材料的失效,提升性能。

對比圖6(a)、6(b)和6(c)可知,雖然拉伸斷裂裂口都在橫向纖維束處,但是采用分布層合結(jié)構(gòu)C的片材斷口存在層間剝離現(xiàn)象,相對于結(jié)構(gòu)A和B而言,其斷口的毛糙程度和纖維拔出長度都明顯偏高。

圖6 不同玻纖增強(qiáng)體分布層合結(jié)構(gòu)材料拉伸試樣失效斷口形態(tài)Fig.6 Failure morphology of tensile test specimen of composite with different glass fiber reinforcement distribution-layering structures

圖7(a)和7(b)顯示了層合結(jié)構(gòu)C的拉伸試樣斷裂后的明顯分層現(xiàn)象。由此可見層合結(jié)構(gòu) C的片材在失效的時候,其裂紋擴(kuò)展途徑比層合結(jié)構(gòu)B更復(fù)雜,除了在網(wǎng)格布層橫向纖維束處,還能夠向?qū)娱g擴(kuò)散,連續(xù)氈層對網(wǎng)格布層中拉伸裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生約束作用,阻止內(nèi)部微裂紋快速橫向擴(kuò)展轉(zhuǎn)而成為層間剝離裂縫,從而提升材料性能。分布層合結(jié)構(gòu)C復(fù)合片材的拉伸性能最好,拉伸強(qiáng)度和模量分別為161.59 MPa和8 133.8 MPa。

2.3彎曲性能及其彎曲破壞失效行為

不同分布層合結(jié)構(gòu)復(fù)合片材的彎曲性能如圖8所示。由圖8可見,彎曲強(qiáng)度從大到小依次排列分別是:結(jié)構(gòu)B>結(jié)構(gòu)A>結(jié)構(gòu)C>GMT,結(jié)構(gòu)B、A、C比GMT的彎曲強(qiáng)度分別高71.6%,60.7%和44.9%。結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)A的彎曲強(qiáng)度高于結(jié)構(gòu)C,即玻纖網(wǎng)格布分布在外側(cè)對彎曲強(qiáng)度貢獻(xiàn)大,中間連續(xù)玻纖氈的多層分布對彎曲強(qiáng)度有益。

圖7 不同玻纖增強(qiáng)體分布層合結(jié)構(gòu)材料拉伸試樣側(cè)面圖Fig.7 Side view of tensile test specimens of different glass fiber reinforcement distribution-layering structure composites

彎曲模量的大小順序則為:結(jié)構(gòu)B>結(jié)構(gòu)C>結(jié)構(gòu)A>GMT,結(jié)構(gòu)B、C、A的彎曲模量比GMT的分別高出75.9%、36.8%和13.8%,玻纖網(wǎng)格布的加入表現(xiàn)出非常有益的增強(qiáng)效果。分布層合結(jié)構(gòu)C比分布層合結(jié)構(gòu)A有更高的彎曲模量,一定程度上說明連續(xù)玻纖氈多層分布有利于改善片材的彎曲模量。

圖8 不同玻纖增強(qiáng)體分布層合結(jié)構(gòu)復(fù)合片材的彎曲性能Fig.8 Flexural performance of composites sheet with different glass fiber reinforcement distribution- layering structures

一般的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲破壞過程如下:(1)在初始階段,復(fù)合材料的整體承受外加應(yīng)力,其上表面受到的主要是擠壓作用,下表面受到的主要是拉伸作用,中間層主要是應(yīng)力的傳遞;(2)隨著上下表面受到的應(yīng)力不斷增大,復(fù)合材料內(nèi)部的彈性變形也隨之增大,材料內(nèi)部的應(yīng)力作用致使基體和纖維之間發(fā)生界面剪切破壞和纖維拔出與斷裂產(chǎn)生微裂紋,微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展成為裂紋,材料失效[16]。在這個過程中,材料表面強(qiáng)度和剛性對整體性能有重要影響,如果表面強(qiáng)度不夠,很可能在彎曲載荷加載初期因?yàn)楸砻嫫茐亩鹫w失效,可能涉及到的破壞機(jī)理有上表面面內(nèi)起皺和壓力破壞、內(nèi)部剪切以及下表面張力破壞,一些典型的失效破壞行為如圖9所示。

由于玻纖網(wǎng)格布正交取向,抗拉能力強(qiáng),所以玻纖網(wǎng)格布的加入能夠明顯提升材料彎曲性能。同時又由于材料在彎曲載荷過程中,表面受到的拉應(yīng)力最大,內(nèi)部次之,所以玻纖網(wǎng)格布分布于外側(cè)表面能更有效提升材料彎曲性能[10]。圖10示出了采用不同分布層合結(jié)構(gòu)的片材的彎曲試樣的失效形態(tài)。從圖10(a)～10(d)可以看出,采用層合結(jié)構(gòu)A和B的彎曲試樣失效特征類似,有上表面受到擠壓而產(chǎn)生的面內(nèi)起皺、下表面受到拉伸張力作用而產(chǎn)生的纖維張力破壞和外表面張力破壞,外側(cè)的玻

圖9 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)可能涉及到的破壞模式Fig.9 Possible failure modes in three-point blending test

纖網(wǎng)格布發(fā)揮其高抗拉增強(qiáng)效果,屬于圖9(a)和9(b)的混合體;圖10(e)～10(f)則顯示層合結(jié)構(gòu)C的彎曲試樣具有明顯的層間剪切裂縫,屬于圖9(d)的內(nèi)部剪切破壞模式,玻纖網(wǎng)格布層高的抗拉強(qiáng)度作用沒有得到發(fā)揮。圖10(b)和10(d)表明層合結(jié)構(gòu)B的彎曲斷口比結(jié)構(gòu)A粗糙且不整齊,即中間層的連續(xù)玻纖氈層對材料彎曲產(chǎn)生明顯影響。中間連續(xù)玻纖氈層越厚,其抵抗和傳遞剪切應(yīng)力能力越強(qiáng),對外側(cè)玻纖網(wǎng)格布層的斷裂行為有約束作用,所以層合結(jié)構(gòu)B彎曲性能高于層合結(jié)構(gòu)A。分布層合結(jié)構(gòu)B復(fù)合材料的彎曲性能最好,彎曲強(qiáng)度為198.56 MPa,彎曲模量為7 841.2 MPa。

2.4沖擊性能及其沖擊失效行為

不同結(jié)構(gòu)復(fù)合片材的沖擊性能示于圖11。從圖11可以看出,增強(qiáng)體分布方式對材料韌性有影響,缺口沖擊強(qiáng)度從大到小分別為:分布層合結(jié)構(gòu)C>分布層合結(jié)構(gòu)A≈分布層合結(jié)構(gòu)B>GMT。與GMT相比,分布層合結(jié)構(gòu)C片材沖擊強(qiáng)度高出53.3%;結(jié)構(gòu)C比結(jié)構(gòu)A的沖擊強(qiáng)度高出7.5%;玻纖網(wǎng)格布加入能夠明顯增強(qiáng)材料韌性。

圖12示出了沖擊試樣的斷口圖像,結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1) 3種沖擊試樣的連續(xù)玻纖氈層全部斷裂,玻纖網(wǎng)格布層存在纖維束連接;(2) 3種沖擊試樣均伴隨著部分連續(xù)玻纖氈層和玻纖網(wǎng)格布層之間的分層剝離,其中分布層合結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B的情況類似,而結(jié)構(gòu)C分層剝離程度明顯大于結(jié)構(gòu)A和B。

圖10 不同玻纖增強(qiáng)體分布層合結(jié)構(gòu)材料彎曲試樣失效形態(tài)Fig.10 Flexural test specimen failure morphology of composites with different glass fiber reinforcement distribution-layering structures

圖11 采用3種不同玻纖增強(qiáng)體分布層合 結(jié)構(gòu)復(fù)合片材的沖擊強(qiáng)度Fig.11 Izod impact performance of composites sheet with different glass fiber reinforcement distribution- layering structures

在受到?jīng)_擊載荷作用后,對于連續(xù)玻纖氈層,由于浸漬程度高、纖維無規(guī)取向、整體比較均勻,并沒有特別大的缺陷,其裂紋一般由微孔隙或者纖維增強(qiáng)體/基體界面發(fā)育,沿著材料薄弱地帶發(fā)展,直到整體失效。整個過程涉及到部分的無規(guī)取向的纖維撥出和纖維斷裂,吸收能量不多。對于玻纖網(wǎng)格布層,應(yīng)力首先集中在沖擊缺口附近的橫向纖維束,裂紋由橫向纖維束中的空隙向前發(fā)育,被縱向纖維束阻止,當(dāng)縱向纖維束應(yīng)力集中而斷裂時,裂紋繼續(xù)沿著橫向纖維束發(fā)展,直到最后貫穿整個片材,在這一過程中橫縱向纖維束的大量斷裂和基體脫黏而吸收了大量能量,所以玻纖網(wǎng)格布的加入能明顯提升沖擊韌性[11,15]。

在整個過程中,連續(xù)玻纖氈層和玻纖網(wǎng)格布層幾乎同步受到?jīng)_擊載荷,但是由于玻纖網(wǎng)格布層裂紋發(fā)育主要涉及到正交取向的纖維束,基體部分主要傳遞應(yīng)力,所以應(yīng)變較小,裂紋發(fā)育快;連續(xù)玻纖氈層的裂紋發(fā)育涉及到基體、纖維-基體界面、纖維,所以應(yīng)變比較大,同時裂紋發(fā)育相對比較慢。這樣的整體應(yīng)變不均一導(dǎo)致片材實(shí)際斷裂過程中,玻纖網(wǎng)格布層先迅速斷裂,而后應(yīng)力迅速集中到連續(xù)玻纖氈層而使之?dāng)嗔?使片材沖擊破壞時呈現(xiàn)扭斷形態(tài),同時伴隨大量的層間剪切剝離[12]。

對于不同的玻纖分布而言,分布層合結(jié)構(gòu)A和B中,玻纖網(wǎng)格布在外側(cè),連續(xù)玻纖氈居中分布,兩者沒有太大差別,其斷裂機(jī)理基本相同,所以沖擊強(qiáng)度相近。在分布層合結(jié)構(gòu)C中,外側(cè)的連續(xù)玻纖氈層對中間的玻纖網(wǎng)格布層的裂紋發(fā)育有約束作用,使得玻纖網(wǎng)格布內(nèi)部橫向纖維束裂紋擴(kuò)展過程中,不僅僅向束內(nèi),還會向連續(xù)玻纖氈層和玻纖網(wǎng)格布層的交界處進(jìn)行擴(kuò)展,形成大量的層間剝離,這樣的過程進(jìn)一步吸收了額外的能量,所以分布層合結(jié)構(gòu)C的沖擊強(qiáng)度更高。

圖12 不同玻纖增強(qiáng)體分布層合結(jié)構(gòu)材料沖擊試樣失效形態(tài)Fig 12 Damage image of impact test specimen failure morphology of composite with different glass fiber reinforcement distribution-layering structures

由此可見,不同形式的玻纖增強(qiáng)體的分布對材料沖擊失效機(jī)理不同,玻纖網(wǎng)格布中高度取向的纖維束對材料韌性提升明顯,而通過一定的分布層合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),連續(xù)玻纖氈能與玻纖網(wǎng)格布產(chǎn)生協(xié)同作用。同等情況下,采用分布層合結(jié)構(gòu)C的復(fù)合片材沖擊性能最好,沖擊強(qiáng)度達(dá)到107.24 kJ/m2,比純GMT沖擊強(qiáng)度高53.3%。

3 結(jié) 論

利用連續(xù)運(yùn)行的雙鋼帶壓機(jī)制備了玻纖網(wǎng)格布和連續(xù)玻纖氈兩種不同形態(tài)玻璃纖維增強(qiáng)體分布層合復(fù)合片材,研究了連續(xù)玻纖氈和網(wǎng)格布的宏觀不均勻空間分布對復(fù)合材料性能的影響,結(jié)果表明,增強(qiáng)體分布層合結(jié)構(gòu)上的宏觀不均勻性對力學(xué)性能的影響明顯,適宜的分布層合結(jié)構(gòu)在材料承受載荷時能夠改變失效破壞的形態(tài)及途徑,提高承載能力使其力學(xué)性能大幅提升,具體表現(xiàn)為:

(1) 玻纖網(wǎng)格布居中分布,連續(xù)氈外側(cè)分布的分布層合結(jié)構(gòu)C中連續(xù)氈層能夠?qū)W(wǎng)格布層的裂紋的擴(kuò)展有約束作用,兩者對載荷的作用產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),使拉伸和沖擊載荷承載能增大,從而實(shí)現(xiàn)材料剛性和韌性的同步增強(qiáng)。

(2) 玻纖網(wǎng)格布分布于外側(cè),連續(xù)氈分布在中部的分布層合結(jié)構(gòu)B,其取向的網(wǎng)格布內(nèi)纖維束可以充分發(fā)揮抵抗彎曲載荷時的纖維張力作用,復(fù)合材料呈現(xiàn)纖維張力破壞主導(dǎo)模式,從而顯著提升彎曲性能。

(3) 與GMT相比,適宜的分布層合結(jié)構(gòu)可使復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著增大,拉伸強(qiáng)度和模量均可提升59.5%,達(dá)到161.6 MPa和8 133.8 MPa;彎曲強(qiáng)度和模量分別提高71.6%和75.9%,達(dá)到198.6 MPa和7 841.2 MPa;沖擊強(qiáng)度提升53.0%,達(dá)到107.2 kJ/m2。

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MechanicalPropertiesandDamageBehaviorofThermoplasticCompositeswithGlassFiberDistribution-LayeringDesign

ZHANGYang1,SHENChun-yin2,LIBin1,FANGXun2,DAIGan-ce2

(1.SchoolofMechanicalandPowerEngineering;2.StateKeyLaboratoryofChemicalEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

Based on the macro heterogeneity reinforcement structure design,two different forms of continuous glass fiber mat and mesh were used to prepare the glass fiber distribution-layering thermoplastic composites by the continuously running double-steel belt press machine.The influences of glass fiber distribution-layering structures on composite’s mechanical properties and damage behavior were discussed.The results reveal that there is difference in improving the tensile and flexural properties with different reinforcement distribution-layering structures.The outer side continuous glass fiber mat in distribution-layering structure reinforcement can not only restrain the development of hairline crack which is perpendicular to stress direction,but also induce layers peeling with extra pull-broken glass fibers,and thus enhances the tensile properties of composites significantly.On the other hand,the outer side glass fiber mesh in distribution-layering structure reinforcement provides oriented fibers bearing more force with tension failure mode,therefore improves the flexural properties significantly.Fiber bundles within the mesh play a role of toughening,and largely increase the impact strength.Compared with glass fiber mat reinforced thermoplastics (GMT),for the composites with appropriate distribution-layering structure the tensile and flexural properties can increase by59%～76%,and the notched Izod impact strength can increase by53%.

glass fiber composites; reinforcement distribution; layering structure; mechanical property; damage behavior

1006-3080(2017)04-0465-09

10.14135/j.cnki.1006-3080.2017.04.003

2016-10-19

國家自然科學(xué)基金(21376086)

張 楊(1991-),男,湖北武漢人,碩士生,研究方向?yàn)槔w維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。E-mail:030130271@mail.ecust.edu.cn

沈春銀,E-mail:ichuny@ecust.edu.cn

TQ327;TB332;TS102.4

A