玻璃纤维增强环氧树脂力学性能研究*

南洪尧, 李 岳, 李志刚

(太原理工大学 力学学院，山西 太原，030024)

玻璃纤维增强聚合物材料是一种以树脂(RP)为基体，GF为增强体的新型复合材料.与传统金属材料相比，GFRP具有密度小，不容易被腐蚀，有十分优秀的电绝缘性、很大的比强度、导热很慢的特点[1-4].在GFRP中，又以环氧树脂作为基体的复合材料的应用最广，由于GF/EP复合材料还具有成型收缩很小、强度高、尺寸稳定性优良等特点[5]，在印刷电路板和加工工业零部件时有大量的应用.

GF/EP复合材料研究近况:1996年，杨宜谦等[6]比较了环氧玻璃钢和聚酯玻璃钢在动态压缩下的弹性模量和能量吸收率;2010年，张磊等[7]测定了玻璃纤维含量为70%的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料不同纤维方向的抗拉强度、拉伸弹性模量，泊松比等参数.2016年，张硕等[8]测定了玻璃纤维含量为52%的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料不同纤维方向的抗拉强度、拉伸弹性模量，泊松比等参数；2018年，阮班超等[9]研究了E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料轴向拉伸力学性能的应变率效应.随着社会的不断进步，人们对GF/EP复合材料的要求也在不断地提高.

为了进一步提高GF/EP复合材料的机械性能，充分了解GF/EP复合材料在各种条件下的力学性能十分必要.为进一步对GF/EP复合材料进行研究，本文主要工作如下：(1) 利用ETM105D型万能试验机对不同配比的GF/EP试件进行了常温下的准静态压缩试验，利用Zwick/RoellZ005型万能材料试验机对不同配比的试件，在不同温度下进行准静态压缩试验，分析配比及温度在静态载荷下对GF/EP材料力学性能的影响.(2) 利用SHPB试验装置对试件进行不同应变率下动态压缩试验，研究材料动态力学性能以及材料的应变率敏感性.比较应变率相近、配比不同的试件，探究配比对材料的应变率敏感性及其他力学性能的影响.

1 准静态单轴压缩试验

1.1 实验材料及过程

本试验所用的试样为GF的质量分数分别为55%、75%、95%的GF/EP试件，分别由上海伟奋实业有限公司、扬州兆欧电工绝缘材料有限公司以及深圳市英德源绝缘塑胶制品有限公司提供.分别将其加工成直径8 mm、厚度10 mm，直径8 mm、厚度7.5 mm，直径10 mm、厚度9 mm的试样.常温与其他不同温度下的准静态压缩试验仪器设备分别为ETM105D型微机控制电子万能试验机(深圳万测试验设备有限公司)和Zwick/RoellZ005型万能材料试验机(德国Zwick/Roell公司).对试样进行准静态压缩试验，加载速度为2 mm/min，常温下准静态压缩试验时的室内温度为20.3 ℃，每种试件重复5次试验，以保证试验结果的可靠性.

1.2 实验结果与分析

1.2.1常温下试验试件试验前后对比如图1所示.处理数据，得到试件在常温下准静态单轴压缩的应力-应变曲线,如图2所示.从图2中可以看出，准静态加载条件下，GF质量分数为55%与75%的试样在加载过程中达到屈服强度后直接发生了脆性断裂，而GF质量分数为95%的试样在达到屈服强度后，开始产生了塑性变形.表1为不同GF含量的试件在准静态压缩实验中测得的屈服强度.

表1 不同GF含量的试件的屈服强度

GF质量分数55%75%95%屈服强度/MPa430.8781.2233.5

1.2.2其他温度下试验两种GF含量的试件在不同温度下的应力-应变曲线如图3所示.GF质量分数为55%的试件与75%的试件的屈服强度均与温度呈现出负相关，即温度越高，试件的屈服强度越低.结合在常温下准静态的测量结果，得到表2和表3.符合材料随温度的升高，屈服强度降低的规律.

表2 不同温度下55%试件的屈服强度

表3 不同温度下75%试件的屈服强度

2 动态压缩试验

2.1 实验材料及过程

本实验采用分离式霍普金森压杆(split hopkinson pressure bar，SHPB)实验技术，装置示意图如图4所示.采用的试样均为上述公司提供的GF含量为75%、95%的试样.对装置调试后，进行试验.由于试样尺寸小，试样的两个面的平行情况以及摩擦都对实验结果产生一定的影响，因此，取几个实验波形较好的试样作为有效试件.

2.2 实验结果与分析

试件实验前后比较如图5所示.

2.2.1工程应力-应变曲线处理数据，得到试样在动态压缩过程的工程应力-应变曲线，如图6所示.

2.2.2屈服强度的确定GF / EP试件的工程应力-应变曲线在试件失效前(工程应力达到峰值之前)的斜率有明显的应变率效应，而且没有明显的屈服转折点.

在目前的研究中，对于没有明显屈服转折点的材料，还没有统一的定值方法，很多文献对此提出了各自的定值方法，主要包括等能量法、残余塑性变形法以及三种作图法[10-12]，各定值方法示意图如图7所示.等能量法不可以用作图得到屈服点，须进行数值积分试算，而且这种方法对于具有二次刚度的双线性构件将会得到不合理的结果；作图法一的作图过程中初始刚度的确定将对最终屈服点的确定产生较大的影响；作图法二中使用峰值荷载系数0.75来确定材料的初始屈服点；作图法三与作图法一具有类似的问题；残余塑性变形法直接套用金属材料规定，会在一些构建结构中出现不合理的情况.

本文中采用了作图法二，得到试件的屈服应力值如表4和表5所示.

表4 不同速度打击下75%试件的应变速率值与屈服应力值

表5 不同速度打击下95%试件的应变速率值与屈服应力值

2.2.3分析比较SPHB动态压缩实验前后试件可知，75%试样在不同应变率下都发生了完全的破坏，出现很多粉末状玻璃纤维，表明试件发生了脆性失效；95%试样在不同应变率下发生了一定程度的鼓包并有剪切破坏的特征，说明试件既产生了塑性变形，又发生了脆性变形，而且应变率越大，脆性变形越大.由此可知，随着GF含量的增加，在一定程度上增大了试件的韧性.

试件在不同应变率下表现出的力学性能往往不同，有时甚至差别很大.而在实际工程应用中的试件又常处于不同的应变率下，因此探究试件的应变率效应十分必要.不同GF含量试件屈服强度-应变率关系图如图8所示.

GF含量为75%的试件的屈服强度远远高于95%的试件，这是由于在高应变率下，EP的粘性来不及释放，试件的失效来源于EP的脆性断裂，因此，GF含量较低(EP含量较高)的试件的屈服强度更高.在一定应变率下，GF/EP试件并不具有应变率效应，但当应变率超过某个临界值时，又体现出极强的应变率效应的敏感性.

3 结 论

(1) 对GF/EP试件进行了不同温度下的准静态压缩试验，获得了GF含量不同的GF/EP试样在不同温度下的屈服强度，发现温度越高，试件的屈服强度越低，试件的弹性模量和屈服强度具有明显的温度依赖性.

(2) 对GF/EP试件进行动态压缩实验，获得了GF含量不同的GF/EP试样在不同应变率下应力应变关系，并且使用作图法，得到了试样在各个应变率下的屈服强度；比较实验前后试件，发现95%试样的韧性优于75%试样，说明GF含量的增加，在一定程度上增大了试件的韧性.

(3) 试样在一定应变率下，GF/EP试件并不具有应变率效应，但当应变率超过某个临界值时，又能体现出应变率效应.