基于Hopkinson桿試驗技術的PA-GF50復合材料動態(tài)力學行為

王嚴培， 姜啟帆， 李玉龍

(西北工業(yè)大學 航空學院, 陜西 西安 710072)

0 引言

短玻璃纖維增強聚酰胺復合材料，是以無機短玻璃纖維(GF)為增強材料、熱塑性聚酰胺(PA)材料為基體的復合材料。PA材料作為廣泛應用的工程塑料，具有優(yōu)良的力學性能、自潤滑性、耐磨性等特性；GF材料則具有拉伸強度高、化學穩(wěn)定性好、耐高溫、電絕緣等良好性能，而且還能通過表面化學處理提高與樹脂的界面粘結力，進一步改善相關力學性能。集合兩者特性的短玻璃纖維增強聚酰胺復合材料的性能備受關注。

Frihi等[1]研究了材料制備冷卻速度和短玻璃纖維含量對材料組成成分和性能的影響。Chebbi等[2]建立了PA-GF材料的各向異性超彈性本構模型。Horst等[3]研究了PA-GF30的孔隙和界面對材料疲勞破壞機制的影響。O’Regan等[4]比較了多種利用混合法則預測PA-GF材料楊氏模量的方法。Thomason[5]研究了纖維的強度、長度和組織形式對材料性能的影響。Hassan等[6]認為隨纖維長度的提高，PA-GF材料的強度和模量提高，但材料失效應變降低。王艇[7]考察了纖維含量從0%到50%的短玻璃纖維增強聚酰胺復合材料的性能，通過試驗證明纖維含量30%時，拉伸強度和模量達到最大值，之后隨纖維含量的提高而有所降低。Gocek等[8]通過對不同纖維含量材料的拉伸試樣斷口的掃描電子顯微鏡(SEM)分析認為，隨纖維含量的提高，材料的主要破壞模式由纖維拔出轉化為纖維斷裂。Ibáez-Gutiérrez等[9]的研究表明，隨纖維含量的提高(從0%提高到50%)，PA-GF材料的缺口試樣強度持續(xù)提高。一般認為，隨纖維含量提高，材料脆性特征明顯，壓縮強度提高，拉伸強度先提高、后降低[10]。Benaceur等[11]通過試驗研究了多應變率下聚酰胺的強度和流動應力，結果表明，材料流動應力是應變率對數(shù)的雙線性函數(shù)，材料隨應變率提高而增強。Mouhmid等[12]通過試驗測定了加入0%、15%、30%、50%短玻璃纖維的PA在準靜態(tài)載荷下的應變率效應和破壞形式，認為加入30%、50%短玻璃纖維的材料損傷由基體塑性、微裂紋擴展、纖維拔出和斷裂決定。由于基體[11]和纖維本身存在正相關的應變率效應[13]，玻璃纖維增強聚酰胺復合材料的應變率效應，尤其是在準靜態(tài)和動態(tài)加載時的應變率效應尚不明確。

作為一種廣泛應用的工程材料，PA-GF復合材料的配比以及制備工藝、準靜態(tài)力學性能等都有比較成熟的理論和測試體系[14]，但其多應變率下材料力學特性研究較少，尤其是動態(tài)力學性能研究數(shù)據(jù)不足以支撐包含沖擊載荷的設計需要。PA-GF復合材料尤其是纖維含量較高(50%)材料的動態(tài)力學性能很有研究的必要。

本文對纖維含量50%短玻璃纖維增強聚酰胺復合材料進行了多個應變率(0.000 5～1 600 s-1)下的壓縮、拉伸試驗，定量確定了材料的應變率效應，并對材料動態(tài)加載下的變形破壞機理進行了討論。

1 試驗方法

1.1 材料制備和試樣尺寸

PA-GF50材料為添加50%短玻璃纖維增強的聚酰胺基復合材料，材料本身呈現(xiàn)黑色，質脆。

PA經(jīng)80 ℃真空干燥箱恒溫干燥12 h后，用10%偶聯(lián)劑KH50對短玻璃纖維進行表面處理,混合均勻后通過雙螺桿擠出機造粒，擠出機各段溫度為220 ℃左右，機頭溫度為215 ℃. 制備的共混粒料在鼓風干燥箱于80 ℃干燥12 h，然后注塑成復合材料板材。板材由廣鵬實業(yè)塑膠有限公司提供。經(jīng)機械加工成為試驗需要的試樣，壓縮和拉伸試樣軸向與注塑方向一致。短玻璃纖維長度為10～60 μm，平均纖維長度為20 μm. 壓縮試驗試樣尺寸為φ10 mm×10 mm 和φ6 mm×6 mm兩種；拉伸試樣尺寸為啞鈴狀試樣，厚度為3 mm，試樣形狀如圖1所示。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Tensile specimen

1.2 加載設備

準靜態(tài)液壓試驗機根據(jù)載荷范圍選用10 t電子萬能試驗機。動態(tài)試驗在SHPB和SHTB上進行，設備簡圖如圖2和圖3所示。

圖2 SHPB系統(tǒng)Fig.2 SHPB setup

圖3 SHTB系統(tǒng)Fig.3 SHTB setup

圖2所示為SHPB系統(tǒng)，波導桿材料為馬氏體時效鋼，波速c0=4 816 m/s，楊氏模量E=186.55 GPa，長度均為1 000 mm. 圖3所示為SHTB系統(tǒng)，波導桿材料為鋁合金，波速c0=5 198 m/s，楊氏模量E=76.26 GPa，長度均為900 mm. 為實現(xiàn)應力平衡和近似恒應變率加載，壓桿和拉桿均應用了薄鋁片波形整形器，其中，壓桿整形器尺寸為φ3 mm×1 mm、拉桿整形器為均勻分布在子彈導軌末端法蘭盤上的3個φ4 mm×1 mm的薄鋁片。

1.3 測量方法

準靜態(tài)試驗通過試驗機的機器位移和力傳感器得到應力- 應變曲線。根據(jù)一維應力波理論，通過貼在波導桿上應變片測得的反射波和透射波應變歷程，得到試樣的應力- 應變歷程[15]：

(1)

圖4 典型曲線Fig.4 Typical curves

式中：As、ls分別表示試樣加載面面積和標距段長度；Ab、Eb分別表示波導桿截面積、彈性模量；εr、εt為波導桿上應變片測得的反射波和透射波應變。圖4所示為典型原始波形曲線。

為保證試驗精度，壓縮試樣保證加載方向兩個表面平行度精度在微米級，兩波導桿、準靜態(tài)試驗機帶萬向頭的壓頭對中良好，壓縮試驗中試件和壓頭之間加潤滑劑，潤滑劑摩擦系數(shù)為0.02，結合材料失效應變很小(約6%)，試件和壓頭之間的摩擦可忽略不計。拉伸試樣保證波導桿、準靜態(tài)試驗機拉伸夾具對中良好的基礎上，確保試樣與波導桿粘接牢固且平行度良好，并保證試樣在標距段斷裂，以此獲得有效數(shù)據(jù)。

2 試驗結果

2.1 應力平衡校驗

SHPB和SHTB測試過程中，保證試驗有效性的一個重要條件[16-17]是加載過程中試樣達到應力平衡。對于PA-GF50材料，由于其在準靜態(tài)加載下的失效應變較小，材料呈現(xiàn)較為明顯的脆性特征，因此動態(tài)加載條件下的應力平衡校驗不可缺少[17]。通常，判斷試樣在試驗中是否達到應力平衡時可引入應力均勻系數(shù)：

(2)

式中：σI(t)、σT(t)分別為試樣與波導桿接觸處波導桿上的應力。圖5所示為應力平衡校驗典型結果，圖中可以看出，在α(t)=0.05時，試樣還遠未達到破壞點，可見，在整個加載過程中，試樣的應力平衡得到了保證。

圖6為根據(jù)圖4、圖5典型結果得到的材料真實應力- 應變、應變率- 應變曲線。由圖6(a)、圖6(b)兩圖可以看出，應變率在試樣較小應變(0.015和0.010)時達到近似恒定應變率，并持續(xù)到試樣失效，故可以認為，試驗有效。

2.2 試驗結果

考慮到材料的分散性、試驗的隨機誤差，為真實反映材料本身力學性能，每種加載方式均進行了5～8次試驗，保證有效數(shù)據(jù)有5個及以上的重復性。

壓縮試驗分別在準靜態(tài)液壓試驗機、SHPB上進行，結果如表1、圖7(a)所示。材料在0.005 s-1應變率下強度增強很少，在400 s-1、900 s-1和1 600 s-1應變率下分別增強31.00%、25.00%和29.00%，即材料在400 s-1應變率下強度達到最大值，增大應變率，材料強度降低。材料失效應變動態(tài)加載下為3.5%，準靜態(tài)加載下為4.5%.

圖5 應力平衡校驗Fig.5 Stress equilibrium

圖6 典型應力- 應變曲線Fig.6 Typical stress-strain curves

表1 平均壓縮結果

圖7 典型多應變率應力- 應變曲線Fig.7 Typical stress-strain curves at multiple strain rates

拉伸試驗分別在準靜態(tài)液壓試驗機、SHTB上進行，結果如表2、圖7(b)所示。材料在0.005 s-1應變率下強度增強12%，與Cuvalci等[18]、Ibanezgu-tierrez等[9]、Mouhmid等[19]試驗結果一致(見圖8)，在400 s-1、800 s-1和1 200 s-1應變率下分別增強46.0%、47.0%和28.0%，即材料在800 s-1應變率下強度達到最大值之后，增大應變率，材料強度降低。材料失效應變動態(tài)加載下為4.0%，準靜態(tài)加載為8.0%左右。材料的模量隨應變率增大有明顯增大的趨勢，并在動態(tài)載荷下保持穩(wěn)定，但材料在準靜態(tài)和動態(tài)載荷下強度區(qū)分明顯。材料失效應變拉伸和壓縮加載下沒有顯著區(qū)別，動態(tài)加載下為3.5%～4.0%，準靜態(tài)加載下略大。

表2 平均拉伸結果

圖8 拉伸試驗結果Fig.8 Results of tension experiments

3 試驗結果分析

3.1 應力- 應變曲線分析

由于短玻璃纖維材料結構的復雜性，材料力學性能表征困難，通過材料應力- 應變曲線可部分預測材料變形和失效特征及過程。圖9所示為典型試樣表面的SEM圖。

圖9 試樣表面SEM圖像Fig.9 Microscopic characterization of specimens

壓縮典型應力- 應變曲線見圖10(a)和圖10(b)。準靜態(tài)載荷下材料變形過程可分為如圖10(a)所示5個階段：1)預加載階段，材料中可能存在的孔隙壓實階段；2)彈性變形階段；3)偽塑性階段，材料中微裂紋成核擴展階段；4)流動段，微裂紋穩(wěn)定擴展階段；5)失效階段，微裂紋擴展組合成為宏觀裂紋，材料失效。動態(tài)載荷下材料變形過程可分為4個階段：1)預加載階段，試樣中可能存在的孔隙壓實，試樣應變率隨應變逐步提高；2)彈性變形階段，應變率提高至穩(wěn)定值后保持不變；3)偽塑性階段，材料模量逐漸減小，試樣中微裂紋成核擴展；4)失效階段，微裂紋迅速擴展成宏觀裂紋，試樣失效。

值得注意的是，比較準靜態(tài)和動態(tài)壓縮加載條件下應力- 應變曲線，二者均存在預加載階段、彈性變形階段、偽塑性階段和最后的失效階段，且從預加載階段到偽塑性階段二者經(jīng)歷的應變幾乎相同(0.032、0.036)。動態(tài)加載與準靜態(tài)加載相比僅缺少了材料達到強度極限之后經(jīng)歷的流動段，在壓縮載荷下，動態(tài)加載條件改變了材料的變形破壞機制。

拉伸典型應力- 應變曲線見圖10(c)和圖10(d)。比較兩條曲線，可以看出拉伸加載條件下，材料變形和失效過程基本分為3個階段：1)預加載階段，準靜態(tài)表現(xiàn)為曲線斜率較大，動態(tài)曲線在此階段未達到恒定應變率；2)彈性變形階段；3)偽塑性、失效階段，拉伸載荷下偽塑性階段較短，試樣失效較壓縮載荷下快。Horst等[3,20]也認為PA-GF材料的失效過程為：材料先從短纖維末端產(chǎn)生孔隙，孔隙擴展成為微裂紋，準靜態(tài)載荷下微裂紋互相連接形成宏觀裂紋，與對材料拉伸變形過程的分析類似。

3.2 材料變形和失效過程分析

材料動態(tài)加載下和準靜態(tài)加載下的力學破壞機理不同。Selmi等[21]認為，纖維和基體之間的界面層是導致流動塑性段出現(xiàn)的原因。動態(tài)加載條件下可能改變了界面層中微裂紋傳播的方式。綜合斷口SEM特征(見圖11)，比較圖11(a)、圖11(b)，材料在準靜態(tài)加載條件下，微裂紋擴展階段有足夠的時間組合形成宏觀裂紋，故斷口較為平整，動態(tài)載荷下微裂紋擴展組合不充分，微裂紋獨立擴展，形成纖維拔出、纖維斷裂等特征。比較圖11(c)、圖11(d)，準靜態(tài)拉伸載荷下，孔隙形成的微裂紋擴展充分，纖維拔出明顯，而動態(tài)拉伸載荷下，微裂紋擴展不充分，纖維拔出較難，主要表現(xiàn)為纖維斷裂。

圖10 典型應力應變曲線Fig.10 Typical stress-strain curves

圖11 典型斷口SEM圖Fig.11 SEM micrographs of typical fractured specimens

材料在壓縮和拉伸載荷作用下的破壞模式不同。比較圖10(a)、圖10(c)，材料在準靜態(tài)載荷下，拉伸強度只有壓縮的52.0%；比較圖10(b)、圖10(d)，材料在動態(tài)載荷下，拉伸強度為壓縮的64.0%. 比較宏觀斷口(見圖12和圖13)，發(fā)現(xiàn)材料在壓縮載荷作用下材料為剪切破壞，拉伸載荷作用下為直接斷裂。SEM圖(見圖11)也支持上述觀點。

圖12 壓縮試樣破壞宏觀形貌Fig.12 Macro morphology of compressed specimen

圖13 拉伸試樣破壞宏觀形貌Fig.13 Macro morphology of tensile specimen

3.3 應變率效應

從圖14可以看出，隨著應變率的提高，材料強度增強，失效應變降低，符合分析比較準靜態(tài)和動態(tài)加載下應力應變曲線得到的結論。準靜態(tài)載荷下和Mouhmid等[19]結果類似，且均體現(xiàn)出PA-GF材料在準靜態(tài)載荷下(應變率10-5～10-2s-1)應變率效應不顯著的特點。試樣破壞之后的形態(tài)見圖12和圖13所示，低應變率下試樣未完全碎裂，表現(xiàn)為主裂紋貫穿試樣破壞，主裂紋方向與加載方向夾角較大；而動態(tài)載荷下，試樣碎裂得比較徹底，裂紋方向與加載方向夾角較小，Chen等[22]在碳纖維材料中也觀察到了動態(tài)載荷下試樣宏觀裂紋方向與加載方向夾角較小的現(xiàn)象。在應變率提高之后，材料中存在的微裂紋成核擴展，但由于應變時間短，相互之間不能有效組合，故分別擴展成為宏觀裂紋，表現(xiàn)為多宏觀裂紋的損傷，試樣碎裂比較徹底。同時，準靜態(tài)載荷下，微裂紋互相組合成為主裂紋破壞的過程吸收的能量較碎裂形式吸收的能量少，表現(xiàn)為準靜態(tài)載荷下的材料強度低于動態(tài)載荷。另外，從圖14可以明顯看出，壓縮載荷下，材料在400 s-1應變率下達到了類似于轉變應變率的狀態(tài)，拉伸載荷下，材料在800 s-1應變率下達到此狀態(tài)，在此狀態(tài)下，材料強度達到最大，失效應變也達到較大的狀態(tài)，之后隨著應變率的繼續(xù)增大，材料強度有所降低。

圖14 應變率效應曲線Fig.14 Strain rate effect curves

4 結論

本文通過準靜態(tài)、動態(tài)以及拉伸、壓縮加載條件下的試驗，得到PA-GF50材料的力學性能及失效破壞特征如下：

1)材料應變率效應較為明顯，材料動態(tài)載荷下呈現(xiàn)較為明顯的脆性破壞特征，表現(xiàn)為動態(tài)載荷下強度提高、失效應變減小。壓縮載荷下材料在400 s-1、900 s-1和1 600 s-1應變率下分別較準靜態(tài)載荷下增強31%、25%和29%；拉伸載荷下材料在400 s-1、800 s-1和1 200 s-1應變率下分別較準靜態(tài)載荷下增強46%、47%和28%. 材料失效應變動態(tài)加載下壓縮為3.5%，準靜態(tài)載荷下為4.5%；拉伸情況下，動態(tài)為4.0%，準靜態(tài)為8.0%左右。材料動態(tài)加載條件下失效應變顯著減小，試驗后的試樣破壞形態(tài)也顯示了這一特征。

2)材料在壓縮和拉伸載荷作用下的破壞模式不同，壓縮載荷作用下材料為剪切破壞，拉伸載荷作用下為直接斷裂。材料失效應變拉伸和壓縮加載下沒有顯著區(qū)別，動態(tài)載荷下為3.5%～4.0%，準靜態(tài)載荷下略大；材料拉伸強度為120～150 MPa，壓縮強度為240～310 MPa之間，壓縮強度約為拉伸的兩倍。

3)材料動態(tài)加載下和靜態(tài)加載下的力學破壞機理不同。靜態(tài)加載下材料中存在的缺陷或加載過程中產(chǎn)生的微裂紋擴展過程中會相互組合形成宏觀裂紋，斷口整齊；而動態(tài)加載下微裂紋獨立擴展成為宏觀裂紋。

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