不同應(yīng)變率下多壁碳納米管/天然橡膠復(fù)合材料的抗沖擊性能研究

景玉龍，杜華太，江美娟，孔 義，王存鐸，謝富霞

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，山東 濟(jì)南 250031）

橡膠材料憑借絕緣、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域，其具有粘彈性，即橡膠材料通常表現(xiàn)出較強(qiáng)的時間和溫度依賴性。在不同的應(yīng)變率情況下橡膠材料的力學(xué)響應(yīng)不同，特別是在碰撞、爆炸、沖擊等高應(yīng)變率下，橡膠材料的力學(xué)特性更需要特別的研究和關(guān)注[1-7]。

本工作利用分離式霍普金森壓桿對4種不同多壁碳納米管（MWNTs）用量的MWNTs/天然橡膠（NR）復(fù)合材料進(jìn)行了高應(yīng)變率下的沖擊試驗(yàn)，并與準(zhǔn)靜態(tài)條件下橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變性能進(jìn)行對比，研究MWNTs/NR復(fù)合材料的抗沖擊性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NR，1#煙膠片，馬來西亞產(chǎn)品；MWNTs，中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

NR 100，氧化鋅 5，硬脂酸 2，防老劑4010NA 1，硫黃 2，促進(jìn)劑NOBS 1.5，促進(jìn)劑DM 0.5，MWNTs 變量。

1.3 主要設(shè)備與儀器

JIC-725型兩輥開煉機(jī)，廣東湛江橡塑機(jī)械制造廠產(chǎn)品；2 L剪切式密煉機(jī)，益陽橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；100 t平板硫化機(jī)，磐石油壓工業(yè)（安徽）有限公司產(chǎn)品；RPA2000型橡膠加工分析儀，德國耐馳公司產(chǎn)品；分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)，壓桿直徑為14.5 mm，中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所產(chǎn)品；Instron 8032型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，英國Instron公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

（1）混煉膠。在密煉機(jī)中進(jìn)行MWNTs/NR母膠的混煉，先將1 kg的NR加入密煉機(jī)中預(yù)熱，3 min后將200 g MWNTs加入密煉機(jī)中，充分混合8 min后排膠，制得MWNTs/NR母膠；再將母膠按照試驗(yàn)配方添加其他填料及硫化劑等，在開煉機(jī)上充分混合制備成MWNTs用量分別為0，3，5和7份的MWNTs/NR混煉膠。

（2）硫化膠。用RPA2000型橡膠加工分析儀測定膠料正硫化時間（t90）；在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為145 ℃/10 MPa×t90。

試樣為圓柱體，直徑為（10±0.15） mm，高為（5±0.25） mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓縮應(yīng)力應(yīng)變性能

在準(zhǔn)靜態(tài)下，主要考察應(yīng)變率和MWNTs用量對復(fù)合材料壓縮彈性模量、吸能率以及抗變形能力的影響。MWNTs/NR復(fù)合材料在兩種低應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 MWNTs/NR復(fù)合材料在低應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖1可以發(fā)現(xiàn)：在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，MWNTs/NR復(fù)合材料在兩種低應(yīng)變率下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢相同，隨著MWNTs用量的增大，壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線均更加傾斜，壓縮彈性模量增大。壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線下方的積分面積越大，材料吸能率越高，吸能效果越好；反之，則吸能率越低，吸能效果越差。隨著MWNTs用量的增大，MWNTs/NR復(fù)合材料的吸能率提高。

未添加MWNTs時，材料在兩種低應(yīng)變率下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎重合，應(yīng)變率對材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變性能影響不大；隨著MWNTs用量的增大，MWNTs/NR復(fù)合材料在兩種低應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸發(fā)生偏離，且隨著MWNTs用量的增大，這種偏離逐漸增大。不同用量MWNTs/NR復(fù)合材料在兩種低應(yīng)變率下的壓縮彈性模量對比見表1。

表1 準(zhǔn)靜態(tài)下MWNTs/NR復(fù)合材料的壓縮彈性模量 MPa

由表1可見，應(yīng)變率為0.001和0.01 s-1時，MWNTs/NR復(fù)合材料的壓縮彈性模量隨MWNTs用量的變化趨勢基本相同，均隨MWNTs用量的增大而提高。此外，在MWNTs的用量相同時，應(yīng)變率為0.01 s-1的復(fù)合材料壓縮彈性模量較高，且隨著MWNTs用量的增大，二者的差值增大。這種現(xiàn)象說明MWNTs的加入提高了復(fù)合材料的抗變形能力，從而提高了材料的吸能率，尤其是在應(yīng)變率增大時，這一效果更加顯著。這可能是因?yàn)閺?fù)合材料中加入的MWNTs具有非常高的模量，其值最高可達(dá)1 TPa，但其卻擁有良好韌性，當(dāng)復(fù)合材料受到外力作用時，可以通過自身的微小形變及與NR基體間的摩擦等消耗一部分能量，使復(fù)合材料的抗變形能力提高，吸能率增大。

2.2 在高應(yīng)變下的抗沖擊性能

MWNTs/NR復(fù)合材料在不同高應(yīng)變率下的應(yīng)變率-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 高應(yīng)變率下MWNTs/NR復(fù)合材料的應(yīng)變率-應(yīng)變曲線

從圖2可以看出，不同MWNTs用量的MWNTs/NR復(fù)合材料均可以在較小的應(yīng)變時很快達(dá)到預(yù)設(shè)的應(yīng)變率范圍，并且穩(wěn)定在這一應(yīng)變率范圍內(nèi)。因此可以粗略地認(rèn)為：在對4種復(fù)合材料進(jìn)行霍普金森壓桿試驗(yàn)測試時，應(yīng)變率是恒定不變的，在此基礎(chǔ)上研究應(yīng)變率和MWNTs用量對MWNTs/NR復(fù)合材料抗沖擊性能的影響。

MWNTs/NR復(fù)合材料試樣在霍普金森壓桿試驗(yàn)前后的照片對比見圖3。

圖3 不同應(yīng)變率下沖擊試驗(yàn)前后的試樣照片

從圖3可以看出：在應(yīng)變率為2 250～2 500 s-1時，4種MWNTs/NR復(fù)合材料試樣在沖擊試驗(yàn)測試前后的外觀以及尺寸等均未發(fā)生明顯變化；在應(yīng)變率為3 750～4 000 s-1時，4種MWNTs/NR復(fù)合材料試樣在霍普金森壓桿試驗(yàn)測試前后的外觀及尺寸均發(fā)生較大變化，鋼彈的沖擊使試樣中心位置產(chǎn)生了較大的變形，中心向內(nèi)凹陷形成“坑”狀，且這種凹陷的“坑”狀變形會隨著MWNTs用量的增大而逐漸減小。這種現(xiàn)象說明，MWNTs的加入提高了復(fù)合材料的抗沖擊與抵御變形的能力。

高應(yīng)變率下MWNTs/NR復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。從圖4可以看出：與準(zhǔn)靜態(tài)條件下MWNTs/NR復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線相比，高應(yīng)變率下復(fù)合材料的曲線形狀有所不同，這主要是由于外力的加載方式不同所引起的，準(zhǔn)靜態(tài)下對試樣所施加的外力隨著應(yīng)變的增大逐漸增大，而在高應(yīng)變率下對試樣所施加的外力為一恒定沖量，在與試樣接觸的過程中，力逐漸減小，使得壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀與準(zhǔn)靜態(tài)下不同。但是，在不同應(yīng)變率下，MWNTs/NR復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨MWNTs用量的變化趨勢基本一致。

圖4 高應(yīng)變率下MWNTs/NR復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖4還可以看出：當(dāng)MWNTs用量為零、應(yīng)變小于15%時，材料在兩種高應(yīng)變率下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合，但隨著MWNTs用量的增大，復(fù)合材料在兩種高應(yīng)變率下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸發(fā)生偏離，且隨著MWNTs用量的增大，這種偏離隨之變大，這與準(zhǔn)靜態(tài)下的變化基本一致。MWNTs/NR復(fù)合材料試樣在兩種高應(yīng)變率下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線初期的壓縮彈性模量對比見表2。

表2 高應(yīng)變率下MWNTs/NR復(fù)合材料的壓縮彈性模量 MPa

由表2可見，在兩種高應(yīng)變率下，MWNTs/NR復(fù)合材料的壓縮彈性模量的變化趨勢基本相同，均隨MWNTs用量的增大而升高。在MWNTs用量相同時，應(yīng)變率為3 750～4 000 s-1的壓縮彈性模量高于應(yīng)變率為2 250～2 500 s-1的壓縮彈性模量，且隨著MWNTs用量的增大，二者的差值不斷增大。這說明MWNTs的加入在一定程度上提高了復(fù)合材料的抗變形能力和吸能率，特別是當(dāng)應(yīng)變率增大時，這一效果更為顯著。這一規(guī)律與準(zhǔn)靜態(tài)下復(fù)合材料的壓縮彈性模量變化一致。

3 結(jié)論

（1）隨著MWNTs用量的增大，MWNTs/NR復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線更加傾斜，復(fù)合材料的壓縮彈性模量和吸能率增大，抗沖擊性能提高。

（2）在MWNTs的用量相同時，MWNTs/NR復(fù)合材料的吸能率會隨著應(yīng)變率的增大而增大，且這種增幅會隨著MWNTs用量的增大而變大，這說明添加MWNTs后，復(fù)合材料的抗沖擊性能增強(qiáng)。