PE－HD／硅灰石／POE－g－ MAH复合材料的断裂行为

付 倬，张冬初，陈枝晴，戴文利

（1．湘潭大学化学学院，湖南 湘潭411105；2．湖南科技职业学院化学系，湖南 长沙410004）

0 前言

PE－HD由于其质轻、价廉、易成型加工、良好的抗冲击性能而被广泛应用，然而，PE－HD的分子结构限制了其强度和模量，无机粒子硅灰石的加入可以克服以上缺点，但材料的韧性会随着无机填料的加入而降低。为了保持材料韧性和刚性的平衡，笔者加入弹性体POE－g－MAH，制备 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH复合材料并研究其断裂力学行为。

近些年来，Broberg［1］提出的EWF法被广泛用于研究韧性聚合物的断裂行为。EWF法认为，拉断一个双边缺口试样所需的总断裂功（Wf）可以分为基本断裂功与非基本断裂功两部分，即消耗在内部裂纹扩展区的能量We和消耗在外部塑性形变区的能量Wp［如式（1）所示］。双边缺口拉伸试样及其能量消耗区如图1所示（图1中H为试样长度，W为试样宽度，t为试样厚度，l为韧带长度）。

图1 双边缺口拉伸试样外观图Fig．1 Image of a double－edge－notched tension sample

对一定厚度t的试样，we与韧带长度即试样缺口剩余长度l成正比，wp与l2成正比。所以式（1）可写为：

式中wf——比总断裂功

we——比基本断裂功，即裂纹扩展单位面积所做的功

wp——比非基本断裂功

β——塑性形变因子，仅与试样的形状有关

从式（3）可以看出wf与l应成线性关系，对一组不同韧带长度的试样做wf～l图，若得一条直线，将直线延长至y轴的截距即为we，斜率为βwp。

另外，还可以将总断裂功分为载荷下降前消耗于屈服过程的功wy和载荷下降后消耗于成颈撕裂过程的功wn，即：

式中we，y——材料屈服过程的比基本断裂功

we，n——材料成颈撕裂过程的比基本断裂功

β′wp，y——材料屈服过程的比非基本断裂功

β″wp，n——材料成颈撕裂过程比非基本断裂功

Mai［2］，Karger－Kocsis［3］和 Hashemi［4］等用 EWF法对处于纯平面应力状态下试样（试样的尺寸为3t≤l≤W／3）的断裂行为进行了大量的研究，取得了一定的研究成果。近年来经Jar等［5］的发展与推广并把该法成功用于研究处于纯平面应变（试样的尺寸为l≤t）状态下试样的断裂行为。然而，除了薄膜材料，大部分的平板处于平面应力和平面应变之间的状态，因此研究试样在过渡状态下的断裂行为具有很重要的意义。本文所选试样的尺寸处于两者之间即过渡区t＜l＜3t，对于过渡区的数据处理用指函数［6］或线性函数［7］回归，本文用线性回归来处理过渡区的数据。对该体系EWF方法的适用效果以及试样所处的应力状态进行了验证，成功得到了各断裂功参数，并研究了不同硅灰石含量对复合材料断裂行为的影响。

1 实验部分

1．1 主要原料

PE－HD，5000S，中国石油兰州石化公司；

硅灰石，Nfw－Xa1500，新余市南方硅灰石实业公司；

硅烷偶联剂，KH－550，江苏晨光偶联剂有限公司；

POE－g－MAH，CMG9805，接枝率0．7%～0．9%，上海日之升新技术发展有限公司。

1．2 主要设备及仪器

双螺杆挤出机，SJSH－30，南京橡塑机械厂；

注塑机，HTB－80，宁波海天塑料机械厂；

缺口制样机，XQZ－I，承德金建检测仪器有限公司；

冲击试验机，XJU－22，承德金建检测仪器有限公司；

电子万能试验机，RQT－10，深圳瑞格尔仪器有限公司。

1．3 样品制备

将硅灰石经硅烷偶联剂KH－550进行表面处理后与其他原料按表1的质量配比在混料机内搅拌混匀，在同向双螺杆挤出机上挤出造粒，然后将干燥后的粒料加入注塑机，注塑成尺寸为125mm×10mm×4mm，缺口深度为2mm的U形缺口冲击样条以及尺寸为125mm×12mm×3mm的矩形样条，并用缺口制样机制成尺寸为60mm×12mm×3mm的双边缺口拉伸试样，其外观如图1所示，双边缺口拉伸试样的韧带长度为4～8mm。

表1 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH复合材料的组成Tab．1 Composition of PE－HD／wollastonite／POE－g－MAH composites

1．4 性能测试与结构表征

不同韧带长度的双边缺口拉伸试样的载荷位移曲线由电子万能试验机在室温（23±2℃）下按照GB／T 1040—1990进行测试，拉伸速率为5mm／min，试验记录载荷－位移曲线；

冲击强度由简支梁冲击试验机按照GB／T 1043—1993进行测试，试样缺口深度2mm，U形缺口。

2 结果与讨论

2．1 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH复合材料的断裂行为

图2记录了各双边缺口拉伸样条从开始拉伸到撕裂的力学过程，曲线下的面积为总断裂功。从图2可以看出，任一材料成分相同的一组试样，所有曲线的形状都有良好的自相似性，即屈服点前曲线的斜率基本一致，最大载荷、断裂总位移以及曲线下的面积都随韧带长度增大而依次增大；其次，成分不同的试样的曲线在韧带长度变化范围内具有相似的变化特征，即随着位移的增加，试样承受的载荷逐渐增大，出现最大值后，迅速成颈，然后随着位移的继续增大，载荷缓慢地降低最后至试样撕裂。表明所有试样均显示韧带完全屈服和裂纹稳定扩展的特点，并以一种韧性断裂的方式发生断裂，符合EWF法的使用前提［8］。

图2 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH复合材料不同韧带长度时的双边缺口拉伸样条的载荷－位移曲线Fig．2 Load－displacement curves for DENT samples of PE－HD／wollastonite／POE－g－MAH composites at different ligament lengths

2．2 过渡状态下EWF测试条件的验证

根据ESIS提出的EWF测试方案，可以用Hill［9］判据来检验试样在测试过程中的受力状态。Hill规则认为同种材料不同初始韧带长度的双边缺口拉伸试样，其最大净截面应力（σnet）（σnet＝Pm／lt，由载荷 －位移的最大载荷除以韧带区初始截面积求得）小于1．15σy（σy为根据ASTMD 638拉伸测试得到的材料屈服应力）时为纯平面应力状态；当σnet大于2．97σy时为纯平面应变状态；当σnet处于1．15σy与2．97σy两者之间时试样处于平面应力与平面应变两者之间的混合状态即过渡状态。将各组复合体系双边缺口拉伸试样由载荷－位移曲线得到的最大净截面应力σnet对相应的初始韧带长度作图，如图3所示。从图3可以看到，各复合材料的数据点都位于1．15σy线与2．97σy线之间。由 Hill规则可知，这些试样的EWF测试是在过渡状态下进行的。结合2．1节中由载荷位移曲线观察到的现象可知，各PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 复合材料均可以满足应用EWF方法的条件。

图3 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH复合材料的最大净截面应力与初始韧带长度的关系Fig．3 Plots for the maximumnet－section stress of PE－HD／wollastonite／POE－g－MAH composites versus ligament length

2．3 断裂韧性与EWF参数

对各组式样的载荷－位移曲线积分求得各比总断裂功。PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 复合材料双边缺口拉伸试样的比总断裂功wf以及屈服前、后的比总断裂功wy、wn与韧带长度l的关系如图4所示。从图4可以看出，各组试样的总比断裂功与韧带长度之间均具有较好的线性关系，R2值都在0．95以上，表明实验数据具有较高的参考价值。将比总断裂功与l线性回归后，由回归直线得到的各材料的断裂功参数we、we，y、we，n和βwp、β′wp，y、β″wp，n列于表2。

表2 不同硅灰石含量的复合材料的双边缺口拉伸试样的EWF参数Tab．2 EWF parameters of DENT samples of the composites with different wollastonite contents

图4 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 复合材料的wf、wy、wn与韧带长度的关系Fig．4 Relationship between wf，wyand wn of PE－HD／wollastonite／POE－g－MAH composites and ligament length

2．3．1 断裂韧性与塑性功的变化

从表2可以看出，随硅灰石含量的增加，PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH复合材料的比基本断裂功we增加，说明对PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 复合材料中，随硅灰石含量的增加，复合材料的断裂韧性即抵抗裂纹扩展的能力得到提高，这可能是随着硅灰石含量的增加，硅灰石粒子数量越多，起到传递应力与稳定裂纹的作用越大，使共混物的we值得以明显增加。然而，当硅灰石含量增加时，复合材料的比非基本断裂功βwp下降，表明当硅灰石含量增加时，复合材料塑性形变的能力降低，这是由于硅灰石粒子与基体之间的相互作用力减弱，更容易从基体中滑脱、拔出，致使材料塑性形变的能力降低。

2．3．2 屈服前后的断裂性能

从表2可以看出，随硅灰石含量的增加材料屈服前的比基本断裂功we，y与屈服后的比基本断裂功we，n逐渐增加。对相同硅灰石含量的组分，we，y明显小于we，n，即材料屈服后表现出较高的裂纹抗展阻力。可见，PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 复合材料的断裂韧性主要取决于材料屈服后抵抗裂纹扩展的能力。

随着硅灰石含量的增加，复合材料的比塑性功β′wp，y与β″wp，n呈减小趋势，β″wp，n大于β′wp，y，表明PEHD／硅灰石／POE－g－MAH 复合材料的变形能力更依赖于屈服后的塑性行为。

2．4 冲击性能

从表3可以看出，PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH复合材料的缺口冲击强度随硅灰石含量的增加而减小。这是因为硅灰石粒子含量较高时，团聚现象发生，冲击强度随团聚体数量的增加而降低。

表3 PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH复合材料的冲击强度Tab．3 Impact strength of PE－HD／wollastonite／POE－g－MAH composites

由表2、表3可知，PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH复合材料的缺口冲击强度的变化与其比塑性功βwp的变化是一致的，然而缺口冲击强度高的材料其比基本断裂功we却较小。复合材料的缺口冲击强度主要体现材料发生塑性形变的能力，而断裂韧性we主要体现材料抵抗裂纹扩展的能力。说明冲击强度值难以反映材料抵抗内部裂纹扩展的能力，对材料在较低作用速率和较低作用应力下的破坏行为的评价缺乏参考价值［10］。

3 结论

（1）EWF方法可用于研究聚烯烃复合材料如PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 复合材料处于过渡状态下试样的断裂行为；

（2）随着硅灰石含量的增加，PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH复合材料的比基本断裂功we增加，比塑性功βwp降低；复合材料的断裂韧性主要取决于屈服后材料抵抗裂纹扩展的能力，复合材料的塑性变形能力也更依赖于屈服后的行为；

（3）PE－HD／硅灰石／POE－g－MAH 复合材料的缺口冲击强度随着硅灰石含量的增加而降低，缺口冲击强度高的材料比基本断裂功却较小；复合材料的缺口冲击强度主要体现材料发生塑性形变的能力，而断裂韧性we主要体现材料抵抗裂纹扩展的能力，冲击强度值难以反映材料抵抗内部裂纹扩展的能力，对材料在较低作用速率和较低作用应力下的破坏行为的评价缺乏参考价值。

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