蔡玄龍，馮少博，柯賢朝

(上海材料研究所 上海市工程材料應(yīng)用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200437)

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，復(fù)合材料得到廣泛應(yīng)用[1-5]。玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂壓制的復(fù)合材料也稱玻璃鋼，作為復(fù)合材料的典型代表，與金屬等傳統(tǒng)材料相比具有比強(qiáng)度高、耐疲勞、耐高低溫等特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域中成為重要材料。

針對(duì)玻璃鋼復(fù)合材料的力學(xué)性能，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究。SAS H S等[6]發(fā)現(xiàn)不同的鋪層方式和鋪層角度會(huì)對(duì)整體材料的滲透性能產(chǎn)生影響。張磊等[7]對(duì)玻璃鋼進(jìn)行了不同纖維方向的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，將玻璃鋼材料沿纖維方向制成拉桿等形狀，可以替代傳統(tǒng)材料在輸電桿塔中的應(yīng)用。劉華等[8]對(duì)玻璃鋼進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，通過掃描電鏡(SEM)觀察破壞的斷口發(fā)現(xiàn)，拉伸試樣的破壞形式為纖維和基體的結(jié)合能破壞，并通過改善兩者間的結(jié)合性能，獲得了性能更優(yōu)的玻璃鋼材料。

為進(jìn)一步對(duì)比不同預(yù)浸料制成的玻璃鋼的彎曲性能，筆者以現(xiàn)有研究為基礎(chǔ)，選用單向玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料和平紋玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，分別壓制成2 mm厚的環(huán)氧玻璃鋼復(fù)合材料，加工成試樣后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，得到相應(yīng)彎曲性能參數(shù)；觀察彎曲破壞的試樣斷口，并分析破壞特征，以期為該類環(huán)氧玻璃鋼的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用某公司生產(chǎn)的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，其包括單向玻璃纖維預(yù)浸料(G1)、單向玻璃纖維預(yù)浸料(G2)、平紋玻璃纖維織物預(yù)浸料(G1911)3類，其中，G1和G2的厚度不同。

按圖1、圖2所示分別裁剪0°，45°，90°不同方向的玻璃纖維預(yù)浸料，按一定方式鋪層后放入模具，然后在一定壓力下加熱固化。將固化后的玻璃鋼層合板切割加工制成彎曲試樣，試樣尺寸為150 mm×15 mm×2 mm。采用CMT5305型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)玻璃鋼試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，然后使用XTZ-E型連續(xù)變倍體視顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察。按GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求對(duì)制備的試樣進(jìn)行彎曲性能測(cè)試，下壓速度為10 mm·min-1。

圖1 單向玻璃纖維預(yù)浸料不同方向裁剪示意圖

圖2 平紋玻璃纖維織物預(yù)浸料0°裁剪示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 彎曲損傷過程

彎曲過程的典型載荷-撓度曲線如圖3所示(彎曲試樣選用單向玻璃纖維預(yù)浸料G2，鋪層方式為0°和90°交替鋪層)?？梢娫趶澢虞d過程中，試樣彎曲試驗(yàn)過程可分為3個(gè)階段：(1)彈性階段，在此階段內(nèi)，玻璃鋼處于彈性變形階段，隨著載荷逐漸增大，試樣中細(xì)小缺陷處會(huì)逐漸發(fā)生破壞，載荷-撓度曲線表現(xiàn)為細(xì)小鋸齒狀的上升[9]；(2)彈塑性階段，隨著載荷進(jìn)一步增大，玻璃鋼內(nèi)部的大量纖維束開始斷裂[10]，當(dāng)部分纖維束斷裂后，載荷施加在未斷裂的其他纖維束上，此階段中玻璃鋼內(nèi)部的應(yīng)力不斷重新分布，當(dāng)達(dá)到最大載荷時(shí)，載荷-撓度曲線表現(xiàn)為突然下降；(3)塑性階段，試樣發(fā)生局部載荷突然下降后，玻璃鋼內(nèi)絕大多數(shù)纖維束已經(jīng)發(fā)生斷裂[11]，載荷-撓度曲線表現(xiàn)為突降后又緩慢上升。

圖3 彎曲過程的典型載荷-撓度曲線

2.2 彎曲破壞形式

在彎曲試驗(yàn)中，彎曲試樣斷口的破壞形式分為壓潰破壞和層間剪切破壞。圖4a)的破壞形式(彎曲試樣選用單向玻璃纖維預(yù)浸料G2，鋪層方式為0°鋪層)屬于壓潰破壞，可見試樣的彎曲斷口與試樣邊緣呈90°，樹脂基體發(fā)生開裂;由圖4c)和圖4d)可見，斷口有部分樹脂顆粒，同時(shí)可見斷裂的纖維。壓潰破壞的載荷-撓度曲線如圖4b)所示，在壓潰的瞬間大量纖維與樹脂斷裂，載荷急速下降。

圖4 彎曲試樣壓潰破壞的斷口形貌及載荷-撓度曲線

圖5a)的破壞形式(彎曲試樣選用單向玻璃纖維預(yù)浸料G2，鋪層方式為±45°交替鋪層)屬于層間剪切破壞；隨著彎曲載荷的增加，玻璃鋼內(nèi)部的纖維開始斷裂，裂紋迅速擴(kuò)展，同時(shí)向樹脂基體擴(kuò)散，最終導(dǎo)致內(nèi)部的玻璃纖維與樹脂基體剝離，形成內(nèi)部的層間脫粘，導(dǎo)致失效破壞，如圖5c)和圖5d)所示。層間剪切破壞的載荷-撓度曲線如圖5b)所示，在載荷逐漸增加的過程中，曲線不會(huì)有較大的突降，表現(xiàn)為波浪形的上升和下降。

圖5 彎曲試樣層間剪切破壞的斷口形貌及載荷-撓度曲線

2.3 鋪層角度對(duì)環(huán)氧玻璃鋼彎曲性能的影響

對(duì)鋪層角度不同的試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)單向纖維鋪層中，±45°鋪層試樣的破壞形式為層間剪切破壞，其余鋪層方式的破壞均為壓潰破壞；0°纖維試樣彎曲強(qiáng)度為45°纖維試樣的8.3倍，為90°纖維試樣的11倍。由于在玻璃鋼試樣的彎曲過程中0°纖維主要起承力作用，所以0°纖維制成的試樣彎曲強(qiáng)度較高，而90°纖維制成的試樣在彎曲過程中僅有樹脂承受載荷，彎曲強(qiáng)度較低。對(duì)于交叉鋪層的試樣，0°/90°纖維交替鋪層試樣的彎曲強(qiáng)度同樣優(yōu)于±45°纖維鋪層試樣的。在進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，承力部位應(yīng)選用0°纖維或0°/90°纖維交替鋪層的方式。

表1 不同鋪層角度試樣的彎曲強(qiáng)度

2.4 鋪層方式對(duì)環(huán)氧玻璃鋼彎曲性能的影響

在其他影響因素不變的情況下，可以發(fā)現(xiàn)試樣鋪層方式不同，彎曲強(qiáng)度也不同，不同鋪層方式下試樣的彎曲強(qiáng)度如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)0°方向預(yù)浸料置于最外側(cè)的試樣(序號(hào)3),其彎曲強(qiáng)度高于90°置于最外側(cè)試樣(序號(hào)2)的；均勻鋪層試樣的彎曲強(qiáng)度高于非均勻鋪層試樣的。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需根據(jù)使用位置的強(qiáng)度需求，選擇合適的鋪層方式。

表2 不同鋪層方式試樣的彎曲強(qiáng)度

2.5 預(yù)浸料種類對(duì)環(huán)氧玻璃鋼彎曲性能的影響

對(duì)3種不同型號(hào)同一鋪層方式的預(yù)浸料進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。由表3可見，由于兩種單向纖維預(yù)浸料的內(nèi)部纖維種類和樹脂含量相同，且壓制過程中采用相同的生產(chǎn)工藝，因此兩種單向纖維預(yù)浸料的彎曲強(qiáng)度基本接近；單向纖維預(yù)浸料試樣的彎曲強(qiáng)度高于平紋玻璃纖維織布試樣6.6%。3種預(yù)浸料的彎曲強(qiáng)度差異不大，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)工藝需求，選擇預(yù)浸料的種類。

表3 不同種類預(yù)浸料試樣的彎曲強(qiáng)度

3 結(jié)論

(1)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的典型彎曲破壞過程可分為3個(gè)階段，即彈性階段、彈塑性階段、塑性階段。

(2)對(duì)于單向纖維鋪層試樣，0°纖維試樣彎曲強(qiáng)度約為45°纖維試樣的8.3倍，為90°纖維試樣的11倍；對(duì)于交叉鋪層試樣，0°/90°纖維交替鋪層試樣的彎曲強(qiáng)度同樣優(yōu)于±45°纖維交替鋪層試樣的。

(3)對(duì)于不同鋪層方式的試樣，0°鋪層置于最外側(cè)試樣的彎曲強(qiáng)度高于90°置于最外側(cè)試樣的；均勻鋪層試樣的彎曲強(qiáng)度高于非均勻鋪層試樣的。

(4)單向纖維預(yù)浸料試樣的彎曲強(qiáng)度略高于平紋玻璃纖維織布試樣的。