尼龍-1313增強氯丁橡膠復(fù)合材料的失效機理

田 飛，李世蕓，喬亞慧

（1. 昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 天津修船技術(shù)研究所，天津 300450）

0 引言

尼龍-1313又稱PA-1313，是一種新型長碳鏈尼龍工程塑料，采用工業(yè)發(fā)酵法等工藝合成，相比其他尼龍族工程塑料，具有較強的力學(xué)性能和耐熱老化性能[1]，一直深受工業(yè)界的關(guān)注。

氯丁橡膠[2]又稱聚氯丁二烯，由氯丁二烯單體聚合而成，是一種應(yīng)用十分廣泛的通用型合成橡膠，其特殊的分子結(jié)構(gòu)使得其不僅具有耐老化、耐油和耐化學(xué)腐蝕等性能[3]，而且具有較好的黏接性能，能與被黏材料保持緊密的黏接[4]，廣泛應(yīng)用于交通、國防和輕工業(yè)等領(lǐng)域中。

國內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)70年代就已著手對尼龍橡膠復(fù)合材料的研究，取得了一定的成果[5]。但是，目前國內(nèi)這方面的研究仍很少，成熟且通用的理論支持嚴(yán)重缺乏。因此，對尼龍橡膠復(fù)合材料進(jìn)行研究和探索具有重要意義。

國內(nèi)某研究所工廠以尼龍-1313和氯丁橡膠為主要原料，采用將氯丁橡膠膠乳涂覆在尼龍布上下雙面的涂覆工藝，經(jīng)黏合硫化等工藝研制出一種復(fù)合材料。該材料具有耐疲勞、耐化學(xué)腐蝕、耐老化、抗蠕變、高強度和高模量等性能[6-9]，主要用作需充氣或折疊的零件，如使操雷產(chǎn)生正浮力的浮囊等。在對該復(fù)合材料制成的浮囊等部件進(jìn)行有限元仿真分析和相關(guān)力學(xué)計算時，需準(zhǔn)確測試其力學(xué)參數(shù)、力學(xué)性能和失效基理，只有如此才能保證有限元仿真分析結(jié)果的真實性和有效性。本文采用真實的尼龍-1313增強氯丁橡膠復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)試件，在MTS機上對不同厚度的復(fù)合材料進(jìn)行縱向拉伸試驗，得到該復(fù)合材料在受縱向拉伸載荷時的載荷-位移曲線及其失效試件，根據(jù)所得數(shù)據(jù)和試件的失效過程研究不同厚度復(fù)合材料的力學(xué)參數(shù)、力學(xué)性能和失效機理。探究尼龍-1313增強氯丁橡膠復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則，為其提供有真實效果的試驗依據(jù)，為其有限元仿真提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

1 靜力拉伸試驗

通過在MTS機上進(jìn)行靜力縱向拉伸試驗，得到不同厚度試件的載荷-位移曲線和失效試件，從而分析不同厚度的復(fù)合材料在靜力縱向拉伸條件下的力學(xué)參數(shù)、力學(xué)性能和失效機理。

1.1 樣品試件準(zhǔn)備

該試驗采用的拉伸試件為：將該復(fù)合材料的工業(yè)成品切割成尺寸為120mm×20mm的不同厚度的矩形試樣條。用清水清潔樣品表面，晾干備用，同時用游標(biāo)卡尺仔細(xì)測量每個試件的尺寸并做標(biāo)記。

1.2 試驗過程

該復(fù)合材料靜力縱向拉伸試驗采用的設(shè)備為MTS Landmark100型電液伺服材料試驗機，運用其Testwork模塊進(jìn)行試驗，MTS機上下夾頭所夾試件長度均為30mm，采用力控制，拉伸速率設(shè)置為5mm/min，加持力為3000N。失效判據(jù)為：在拉伸試驗的最后階段，當(dāng)接頭所受載荷達(dá)到其峰值的10%時，判定該接頭失效。表1為拉伸試驗參數(shù)設(shè)置。對于接頭裝夾厚度均勻的試件，先使力的加載方向與試件軸線一致，再進(jìn)行拉伸試驗，以減小拉伸載荷不對中產(chǎn)生的扭矩。

表1 拉伸試驗參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 不同厚度的復(fù)合材料在靜力縱向拉伸下的失效機理

2.1.1 不同厚度試件的載荷-位移曲線

不同厚度試件的載荷-位移曲線見圖1和圖2。由圖1和圖2可知：曲線整體共分為a2點之前、a2～a3點、a3～a4點和a4點以后等4個階段；a2點之前曲線的位移起始點并未從零開始，這是由于MTS機夾頭在夾持試件時出現(xiàn)了彎曲；a2～a3點為試件彈性變形階段，在此階段載荷隨著位移的增大而接近線性增大；a3～a4點為試件的屈服流動階段，載荷值隨著位移的增大出現(xiàn)起伏跳躍；a4點之后的階段為試件的斷裂失效階段，在此過程中，載荷急劇下降，直至試驗結(jié)束。

圖1 試件厚度為4.5mm和4.7mm載荷-位移曲線

圖2 試件厚度為10.0mm和10.2mm載荷-位移曲線

2.1.2 不同厚度試件的失效分析

復(fù)合材料試件的厚度是由尼龍布層數(shù)和氯丁橡膠的涂覆工藝決定的，因此在尼龍布層數(shù)相等的情況下，厚度會有一定的差異。

該復(fù)合材料在靜力縱向拉伸載荷下的失效形式主要有尼龍布斷裂、尼龍布與氯丁橡膠黏接界面脫黏和試件基體斷裂等3種。

1) a2～a3點為試件的彈性變形階段，在該階段試件的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系滿足胡克定律，載荷-位移曲線近似為傾斜直線。試件所受載荷隨著位移的增大而近似線性增大。

2) a3～a4點為試件的失效階段，也可稱為屈服流動階段和尼龍布脫黏斷裂階段。隨著試驗的進(jìn)行，試件的位移繼續(xù)增大，試件所受拉伸載荷持續(xù)變大，尼龍布與橡膠開始脫黏失效，并伴隨著尼龍布撕裂；由于尼龍布和氯丁橡膠的黏接強度較弱，同時二者的延展性能不同，因此二者發(fā)生脫黏分離，直至強度較弱的尼龍布斷裂，從此刻開始，試件進(jìn)入失效階段。對于不同厚度的試件而言，該階段的載荷-位移曲線與其他階段顯著不同，其每次起伏都代表著尼龍布的斷裂和脫黏，隨著試件厚度的顯著增加（尼龍布層數(shù)的增加），載荷-位移曲線出現(xiàn)明顯起伏，這是由于尼龍布層數(shù)的增多雖然伴隨著尼龍布的脫黏和斷裂，但試件基體的剩余強度依然很大。

3) 在a4點之后的階段，隨著試驗的繼續(xù)進(jìn)行，試件的位移繼續(xù)增大，但載荷大幅度下降，試件發(fā)生基體斷裂，內(nèi)部和表面被完全破壞，試件被完全破壞。

2.1.3 不同厚度試件的力學(xué)性能和參數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)制備試件之后測得的精確數(shù)據(jù)和試驗所得數(shù)據(jù)計算不同厚度復(fù)合材料的力學(xué)性能參數(shù)，結(jié)果見圖3～圖7。初始階段，彈性模量并沒有隨著試件厚度的變化而出現(xiàn)大幅度波動，而是在一個小數(shù)值范圍內(nèi)波動并趨于穩(wěn)定。彈性變形階段，最大位移與初始彈性模量隨試件厚度的變化恰好相反，但仍在一個小數(shù)值范圍內(nèi)波動并趨于穩(wěn)定。試件完全失效所能承受的載荷峰值與彈性變形階段在1.6～5.0mm厚度范圍內(nèi)的載荷峰值相等，且都隨著試件厚度的變化呈明顯上升的趨勢，在此之后仍呈上升趨勢，但不如1.6～5.0mm厚度范圍內(nèi)的上升趨勢顯著。

圖3 初始彈性模量隨試件厚度的變化

圖4 彈性變形階段最大位移隨試件厚度的變化

圖5 完全失效所能承受的載荷峰值隨試件厚度的變化

圖6 彈性變形階段的載荷峰值隨試件厚度的變化

圖7 復(fù)合材料失效應(yīng)力隨試件厚度的變化

2.2 分析與討論

由上述分析可知，尼龍-1313增強氯丁橡膠復(fù)合材料的縱向拉伸失效機理和力學(xué)性能有其獨特的規(guī)律和特性。不論復(fù)合材料試件的厚度如何，其失效過程都是先經(jīng)歷彈性變形階段，其次經(jīng)歷尼龍布的脫黏和斷裂階段，最后經(jīng)歷試件基體斷裂失效階段。試件的載荷-位移曲線也表現(xiàn)為傾斜直線、起伏曲線和曲線迅速下降等3部分。對厚度在1.6～5.0mm范圍內(nèi)的試件，其彈性變形階段的載荷峰值與完全失效時的載荷峰值一致；對于厚度超過5.0mm的試件，由于在其彈性變形階段之后，基體內(nèi)部雖然發(fā)生部分失效，但仍具有較大的剩余強度，因此其載荷-位移曲線仍會出現(xiàn)一個峰值。

復(fù)合材料試件彈性變形階段的彈性模量和最大位移并沒有隨著試件厚度的變化而出現(xiàn)明顯波動，而是趨于穩(wěn)定：試件最大厚度值是最小厚度值的6.25倍，但彈性變形階段的彈性模量和最大位移的最大值僅是最小值的1.7倍和1.21倍。這說明試件在進(jìn)入失效階段之前的變形并沒有隨著厚度的變化呈現(xiàn)出較大的波動。根據(jù)試件的拉伸過程、失效應(yīng)力和失效機理分析，隨著試件厚度的增加，對黏接工藝的要求越來越高，氯丁橡膠與尼龍布的黏接強度會越來越不均勻，從而出現(xiàn)更多黏接薄弱點，其失效強度也會下降。復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力隨試件厚度的變化趨勢也證實了這一點，對于厚度小于5.0mm的試件，其失效應(yīng)力是近似相同的，但當(dāng)復(fù)合材料厚度超過這一數(shù)值時，其失效應(yīng)力急劇下降。

3 結(jié) 語

1) 在靜力縱向拉伸載荷作用下，尼龍-1313增強氯丁橡膠復(fù)合材料失效主要經(jīng)歷彈性變形、尼龍布的脫黏和斷裂及基體完全失效斷裂等3個階段，其載荷-位移曲線主要分為傾斜直線、起伏曲線和載荷值迅速下降等3部分，并與復(fù)合材料試件的失效過程相對應(yīng)。隨著復(fù)合材料厚度的增加，其尼龍布脫黏和斷裂階段的表現(xiàn)愈加明顯，與之對應(yīng)的載荷-位移曲線的起伏程度也愈加明顯。

2) 復(fù)合材料所能承受的載荷峰值隨著其厚度的增加而增大，但當(dāng)厚度超過5.0mm之后，尼龍布與氯丁橡膠之間受黏接工藝影響的黏接強度是導(dǎo)致試件失效不可忽略的因素，其所能承受的載荷峰值會趨于穩(wěn)定并受黏接工藝的影響而出現(xiàn)不規(guī)律的波動。

3) 隨著復(fù)合材料厚度的增加，彈性變形階段的彈性模量和最大位移并沒有隨著其厚度的增加而出現(xiàn)較大的波動，而是趨于穩(wěn)定，但其內(nèi)部失效應(yīng)力在厚度超過5.0mm之后會急劇下降。