第３９卷第９期 塑料工业 ２０１１年９月 ＣＨＩＮＡ ＰＬＡＳＴＩＣＳ ＩＮＤＵＳＴＲＹ ・７７・ 长玻纤增强聚氨酯复合材料弯曲应力一应变试验研究 张蔚 ，陈丰 ，孙宇 ，曹春平 （１．南京理工大学机械工程学院，江苏南京２１００９４；２．安徽科技学院工学院，安徽蚌埠２３３１００） 摘要：针对长玻纤增强反应注射成型聚氨酯复合材料（ＲＲＩＭ。ＰＵ）进行了弯曲性能测试试验，研究了玻纤质量分 数及玻纤长度对ＲＲＩＭ。ＰＵ复合材料弯曲性能的影响，得到了弯曲应力一应变曲线。同时结合扫描电子显微镜（ＳＥＭ） 观察微观组织结构，分析了玻纤在基体中的增强作用及制品弯曲破坏机理。研究结果表明：玻纤质量分数３０％，玻 纤长度２５ ｍｍ的复合材料制品具有最佳的弯曲性能。 关键词：玻璃纤维；复合材料；弯曲性能；应力；应变 中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＱ３２３．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—５７７０（２０１１）０９—００７７—０４ Ｆｌｅｘｕｒａｌ Ｓｔｒｅｓｓ。ｓｔｒａｉｎ Ｔｅｓｔ ｏｆ Ｌｏｎｇ Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｍａｔｅｒｉａｌ ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ ，ＣＨＥＮ Ｆｅｎｇ ，ＳＵＮ Ｙｕ ，ＣＡＯ Ｃｈｕｎ。ｐｉｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｎｇｂｕ ２３３１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｌｏｎｇ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ（ＲＲＩＭ。ＰＵ）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ．ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＲＲＩＭ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎ ＣＨＩＶＥＳ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｉｎ ＰＵ ｍａｔｒｉｘ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ＳＥＭ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｇｏｔ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗａｓ ３０％ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｌｅｎｇｔｈ ｗａｓ ２５ ｍｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ；Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ；Ｆｌｅｘｕｒａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；Ｓｔｒｅｓｓ；Ｓｔｒａｉｎ ＲＲＩＭ—ＰＵ是一种较新型的纤维复合高分子材料。 ＫＨ５６０处理，加捻，南京玻璃纤维研究院；聚氨酯： 与以往的结构增强制品相比，这种材料具有较高的强 聚醚多元醇（平均官能度４左右），复配延迟催化剂 度、模量、韧性以及更好的抗疲劳性能，具备短纤维 ＹＣ １ ０．８质量份，水０．６—１．０质量份，物理发泡剂 增强复合材料难于达到的力学性能，广泛应用于交 ５—８质量份，泡沫稳定剂Ｂ８８７０ １．０～２．０质量份， 通、建筑以及航空领域＿ｌ Ｊ。随着对复合材料产品性 异氰酸酯指数１．０５—１．１５，黎明化工研究院。 能要求的不断提高，合理评价复合材料力学性能，真 １．２实验设备及仪器 实、全面地反应材料本身特性不仅对指导材料的制备 聚氨酯长纤维增强注射成套加工设备：ＬＦＩ Ｒ１Ｍ 有着重要意义，而且为产品在使用过程中的可靠性提 Ｓｔａｒ １６／４０型，德国Ｋｒａｕｓｓ‘Ｍａｆｆｅｉ公司；开模浇注铝 供了保证 ］。应力一应变曲线是描述ＲＲＩＭ—ＰＵ复 模：模内腔尺寸为１ ２００ ｍｍ×５００ ｍｍ×４ ｍｍ，可通 合材料力学性能的极其重要的图形。本试验利用长玻 循环水控制模具的温度；万能材料试验机： 璃纤维对聚氨酯泡沫增强，对制品在弯曲状态下的应 ＩＮＳＴＲＯＮ一１１８５，最大负荷１００ ｋＮ，美国英斯特朗公 力一应变特点进行了分析，进一步了解了ＲＲＩＭ。ＰＵ 司；扫描电子显微镜：ＪＥＯＬＪＳＭ－６３８０ＬＶ，放大倍数 复合材料的性能，为实际开发和应用ＲＲＩＭ—ＰＵ复合 为５～３００ ０００倍，日本电子株式会社。 材料奠定了理论基础 Ｊ。 １．３实验设计 １ 实验部分 本实验采用正交实验法，利用长玻纤增强反应注 １．１实验材料 射成型（ＬＦＲ—ＲＩＭ）制品实际生产设备在真实生产 玻璃纤维：直径２０ ｍ，表面经硅烷偶联剂 环境下制备试样。 作者简介：张蔚，女，１９８７年生，硕士研究生，主要研究方向为复合材料及其成型技术。ｗｅｉｚｈａ ｇ０４２５＠１２６．。。ｍ 由于纤维质量分数和长度是影响复合材料的两个 系中，纤维贯穿了若干个泡孔，这些泡孔以纤维为核 主要因素，根据文献［６］可知，玻纤质量分数 心形成了一个较大的柱体，承受载荷时纤维的存在减 少了材料的扭转变形，相应提高了其破坏应力及模 量。同时，纤维与树脂问会形成一层界面层，复合材 料界面是决定复合材料在使用过程中能以何种程度发 挥并维持其潜在性能的关键因素。在界面及界面附近 ３０％、长度２５ ｍｍ时ＲＲＩＭ—ＰＵ复合材料的力学性能 最佳。故本实验中选择玻纤长度２５ ＩＩＩ１ＴＩ、纤维质量分 数分别为１０％、１５％、２０％、２５％、３０％的试样以 考察玻纤质量分数对复合材料应力一应变关系的影 响；另外，选择玻纤质量分数为３０％，纤维长度分 通常应力集中最大，这可能成为复合材料过早破坏的 别为１２．５ ｍｍ、２５ ｍｍ、５０ ｍｍ的试样以考察纤维长 度对复合材料应力一应变关系的影响并结合ＳＥＭ观 察弯曲试样断面形貌，对其破坏原因进行分析。 １．４试验方法 １．４．１ 复合材料弯曲性能实验 试样制备采用注塑成型，试验过程在ＩＮＳＴＲＯＮ一 １ １８５万能材料试验机上按照ＧＢ／Ｔ １４４９－－２００５（纤 维增强塑料弯曲性能试验方法）进行，复合材料试 样的外形尺寸为８０ ｎｌｍ Ｘ １０ ｍｍ Ｘ ４ ｍｍ（长Ｘ宽Ｘ 厚）。弯曲试样加载过程如图１所示。 图１弯曲过程 Ｆｉｇ １ Ｂｅｎｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ 为保证试验的准确性，每种试样测定５次，取平 均值进行分析。 １．４．２扫描电子显微镜观察（ＳＥＭ） 采用扫描电子显微镜对玻纤增强复合材料弯曲破 坏断口进行观察。本试验中对弯曲试样断口表面喷金 处理后，采用扫描电镜（ＳＥＭ）对样品的微结构进 行表征，观察复合材料截面上玻璃纤维的分布。 ２结果及分析 对ＲＲＩＭ—ＰＵ复合材料试件的弯曲性能进行测试， 采用ＩＮＳＴＲＯＮ一１ １８５万能材料试验机加载，测试数据 系统自动采集并保存。 ２．１纤维增强机理 纤维复合材料技术的基础在于利用高性能纤维的 强度和刚性，纤维赋予复合材料高强度和高模量。玻 璃纤维是刚性填料，对ＲＲＩＭ—ＰＵ材料最突出的贡献 是使制品硬度上升，刚性增加，弯曲强度和弯曲弹性 模量提高，提供了在应力或负荷作用下的抗破裂和抗 挠曲性 。从微观角度来看，玻纤增强泡沫塑料体 场所 一 。 ２．２不同玻纤质量分数下的应力应变曲线及其分析 针对玻纤长度为２５ ｍｍ、玻纤质量分数分别为 １０％、１５％、２０％、２５％和３０％的五种ＲＲＩＭ’ＰＵ复 合材料试件进行弯曲性能测试，得到的应力应变曲线 如图２所示。 图２不同玻纤质量分数ＲＲＩＭ—ＰＵ复合材料弯曲应力 应变曲线 Ｆｉｇ ２ Ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎ ｏｆ ＲＲＩＭ—ＰＵ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｉ ｆｉｂｅｒ ｅｏＫｌｔｅｎｔｓ 由图２可以看出，不同玻纤质量分数下的复合材 料应力应变关系不同。 （１）图中每条曲线的最高点所对应的应力是材 料所能承受的最大应力，即弯曲强度极限，它是衡量 材料强度的一个重要指标。从图２中可以看出，在玻 纤质量分数为１０％～３０％的范围内，玻纤质量分数 越高，复合材料制品的弯曲强度极限越高。 （２）在复合材料达到弯曲强度极限之前的阶段， 应力与应变有明显的线性特征，说明材料处于弹性阶 段，此阶段是弯曲变形的主要阶段。弯曲弹性模量表 示的是材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。在承 受相同弯曲载荷作用时，应变越小则弯曲弹性模量越 大，即材料刚度越大。从图２中可以看出，当材料处 于弹性变形阶段时，玻纤质量分数越高，材料的弯曲 弹性模量越大。 （３）当材料达到弯曲强度极限之后，材料处于 局部变形阶段，此阶段中，使试样继续变形所需要施 加的外部载荷也相应减少。 （４）曲线降落到终点，试样断裂。由图２卣Ｔ知，
