南洪堯, 李 岳, 李志剛

(太原理工大學(xué) 力學(xué)學(xué)院，山西 太原，030024)

玻璃纖維增強(qiáng)聚合物材料是一種以樹(shù)脂(RP)為基體，GF為增強(qiáng)體的新型復(fù)合材料.與傳統(tǒng)金屬材料相比，GFRP具有密度小，不容易被腐蝕，有十分優(yōu)秀的電絕緣性、很大的比強(qiáng)度、導(dǎo)熱很慢的特點(diǎn)[1-4].在GFRP中，又以環(huán)氧樹(shù)脂作為基體的復(fù)合材料的應(yīng)用最廣，由于GF/EP復(fù)合材料還具有成型收縮很小、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良等特點(diǎn)[5]，在印刷電路板和加工工業(yè)零部件時(shí)有大量的應(yīng)用.

GF/EP復(fù)合材料研究近況:1996年，楊宜謙等[6]比較了環(huán)氧玻璃鋼和聚酯玻璃鋼在動(dòng)態(tài)壓縮下的彈性模量和能量吸收率;2010年，張磊等[7]測(cè)定了玻璃纖維含量為70%的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料不同纖維方向的抗拉強(qiáng)度、拉伸彈性模量，泊松比等參數(shù).2016年，張碩等[8]測(cè)定了玻璃纖維含量為52%的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料不同纖維方向的抗拉強(qiáng)度、拉伸彈性模量，泊松比等參數(shù)；2018年，阮班超等[9]研究了E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料軸向拉伸力學(xué)性能的應(yīng)變率效應(yīng).隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)GF/EP復(fù)合材料的要求也在不斷地提高.

為了進(jìn)一步提高GF/EP復(fù)合材料的機(jī)械性能，充分了解GF/EP復(fù)合材料在各種條件下的力學(xué)性能十分必要.為進(jìn)一步對(duì)GF/EP復(fù)合材料進(jìn)行研究，本文主要工作如下：(1) 利用ETM105D型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同配比的GF/EP試件進(jìn)行了常溫下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，利用Zwick/RoellZ005型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同配比的試件，在不同溫度下進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，分析配比及溫度在靜態(tài)載荷下對(duì)GF/EP材料力學(xué)性能的影響.(2) 利用SHPB試驗(yàn)裝置對(duì)試件進(jìn)行不同應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，研究材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能以及材料的應(yīng)變率敏感性.比較應(yīng)變率相近、配比不同的試件，探究配比對(duì)材料的應(yīng)變率敏感性及其他力學(xué)性能的影響.

1 準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及過(guò)程

本試驗(yàn)所用的試樣為GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為55%、75%、95%的GF/EP試件，分別由上海偉奮實(shí)業(yè)有限公司、揚(yáng)州兆歐電工絕緣材料有限公司以及深圳市英德源絕緣塑膠制品有限公司提供.分別將其加工成直徑8 mm、厚度10 mm，直徑8 mm、厚度7.5 mm，直徑10 mm、厚度9 mm的試樣.常溫與其他不同溫度下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)儀器設(shè)備分別為ETM105D型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司)和Zwick/RoellZ005型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(德國(guó)Zwick/Roell公司).對(duì)試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，加載速度為2 mm/min，常溫下準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)時(shí)的室內(nèi)溫度為20.3 ℃，每種試件重復(fù)5次試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性.

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.2.1常溫下試驗(yàn)試件試驗(yàn)前后對(duì)比如圖1所示.處理數(shù)據(jù)，得到試件在常溫下準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖2所示.從圖2中可以看出，準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%與75%的試樣在加載過(guò)程中達(dá)到屈服強(qiáng)度后直接發(fā)生了脆性斷裂，而GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的試樣在達(dá)到屈服強(qiáng)度后，開(kāi)始產(chǎn)生了塑性變形.表1為不同GF含量的試件在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的屈服強(qiáng)度.

表1 不同GF含量的試件的屈服強(qiáng)度

GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%75%95%屈服強(qiáng)度/MPa430.8781.2233.5

1.2.2其他溫度下試驗(yàn)兩種GF含量的試件在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示.GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的試件與75%的試件的屈服強(qiáng)度均與溫度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，即溫度越高，試件的屈服強(qiáng)度越低.結(jié)合在常溫下準(zhǔn)靜態(tài)的測(cè)量結(jié)果，得到表2和表3.符合材料隨溫度的升高，屈服強(qiáng)度降低的規(guī)律.

表2 不同溫度下55%試件的屈服強(qiáng)度

表3 不同溫度下75%試件的屈服強(qiáng)度

2 動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)采用分離式霍普金森壓桿(split hopkinson pressure bar，SHPB)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，裝置示意圖如圖4所示.采用的試樣均為上述公司提供的GF含量為75%、95%的試樣.對(duì)裝置調(diào)試后，進(jìn)行試驗(yàn).由于試樣尺寸小，試樣的兩個(gè)面的平行情況以及摩擦都對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此，取幾個(gè)實(shí)驗(yàn)波形較好的試樣作為有效試件.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試件實(shí)驗(yàn)前后比較如圖5所示.

2.2.1工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線處理數(shù)據(jù)，得到試樣在動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖6所示.

2.2.2屈服強(qiáng)度的確定GF / EP試件的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線在試件失效前(工程應(yīng)力達(dá)到峰值之前)的斜率有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，而且沒(méi)有明顯的屈服轉(zhuǎn)折點(diǎn).

在目前的研究中，對(duì)于沒(méi)有明顯屈服轉(zhuǎn)折點(diǎn)的材料，還沒(méi)有統(tǒng)一的定值方法，很多文獻(xiàn)對(duì)此提出了各自的定值方法，主要包括等能量法、殘余塑性變形法以及三種作圖法[10-12]，各定值方法示意圖如圖7所示.等能量法不可以用作圖得到屈服點(diǎn)，須進(jìn)行數(shù)值積分試算，而且這種方法對(duì)于具有二次剛度的雙線性構(gòu)件將會(huì)得到不合理的結(jié)果；作圖法一的作圖過(guò)程中初始剛度的確定將對(duì)最終屈服點(diǎn)的確定產(chǎn)生較大的影響；作圖法二中使用峰值荷載系數(shù)0.75來(lái)確定材料的初始屈服點(diǎn)；作圖法三與作圖法一具有類似的問(wèn)題；殘余塑性變形法直接套用金屬材料規(guī)定，會(huì)在一些構(gòu)建結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)不合理的情況.

本文中采用了作圖法二，得到試件的屈服應(yīng)力值如表4和表5所示.

表4 不同速度打擊下75%試件的應(yīng)變速率值與屈服應(yīng)力值

表5 不同速度打擊下95%試件的應(yīng)變速率值與屈服應(yīng)力值

2.2.3分析比較SPHB動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)前后試件可知，75%試樣在不同應(yīng)變率下都發(fā)生了完全的破壞，出現(xiàn)很多粉末狀玻璃纖維，表明試件發(fā)生了脆性失效；95%試樣在不同應(yīng)變率下發(fā)生了一定程度的鼓包并有剪切破壞的特征，說(shuō)明試件既產(chǎn)生了塑性變形，又發(fā)生了脆性變形，而且應(yīng)變率越大，脆性變形越大.由此可知，隨著GF含量的增加，在一定程度上增大了試件的韌性.

試件在不同應(yīng)變率下表現(xiàn)出的力學(xué)性能往往不同，有時(shí)甚至差別很大.而在實(shí)際工程應(yīng)用中的試件又常處于不同的應(yīng)變率下，因此探究試件的應(yīng)變率效應(yīng)十分必要.不同GF含量試件屈服強(qiáng)度-應(yīng)變率關(guān)系圖如圖8所示.

GF含量為75%的試件的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于95%的試件，這是由于在高應(yīng)變率下，EP的粘性來(lái)不及釋放，試件的失效來(lái)源于EP的脆性斷裂，因此，GF含量較低(EP含量較高)的試件的屈服強(qiáng)度更高.在一定應(yīng)變率下，GF/EP試件并不具有應(yīng)變率效應(yīng)，但當(dāng)應(yīng)變率超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，又體現(xiàn)出極強(qiáng)的應(yīng)變率效應(yīng)的敏感性.

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)GF/EP試件進(jìn)行了不同溫度下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，獲得了GF含量不同的GF/EP試樣在不同溫度下的屈服強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)溫度越高，試件的屈服強(qiáng)度越低，試件的彈性模量和屈服強(qiáng)度具有明顯的溫度依賴性.

(2) 對(duì)GF/EP試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得了GF含量不同的GF/EP試樣在不同應(yīng)變率下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并且使用作圖法，得到了試樣在各個(gè)應(yīng)變率下的屈服強(qiáng)度；比較實(shí)驗(yàn)前后試件，發(fā)現(xiàn)95%試樣的韌性優(yōu)于75%試樣，說(shuō)明GF含量的增加，在一定程度上增大了試件的韌性.

(3) 試樣在一定應(yīng)變率下，GF/EP試件并不具有應(yīng)變率效應(yīng)，但當(dāng)應(yīng)變率超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，又能體現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng).