聚甲基丙烯酰亞胺泡沫平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)研究

楊 洋，陳新文，王 翔，馬思奇，郭 寧

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095；航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095）

聚甲基丙烯酰亞胺（Polymethylimide，PMⅠ）泡沫是一種輕質(zhì)交聯(lián)的多孔硬質(zhì)泡沫塑料，具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高、熱穩(wěn)定性良好、易于加工等特點(diǎn)。同時(shí)，PMⅠ泡沫可與各種夾層面材復(fù)合，能承受高溫復(fù)合材料固化工藝，能夠適應(yīng)各種成型方法[1-4]。由于其優(yōu)異的性能，PMⅠ泡沫在航空航天、船舶兵器、能源動(dòng)力、交通運(yùn)輸、醫(yī)療體育器材等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-7]。而PMⅠ泡沫的平面斷裂韌性作為一項(xiàng)重要韌性指標(biāo)，對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有重要意義。工程結(jié)構(gòu)的突然斷裂通常是由于裂紋的快速擴(kuò)展或失穩(wěn)擴(kuò)展造成的。平面應(yīng)變斷裂韌性KⅠC表征材料在線彈性范圍內(nèi)，帶裂紋工作時(shí)抵抗裂紋的能力，是材料的一種固有力學(xué)屬性，不僅能正確反映材料抵抗低應(yīng)力破壞的能力，而且還能預(yù)判斷裂應(yīng)力[8-10]。

本文通過(guò)針對(duì)含有預(yù)制裂紋的PMⅠ泡沫CT 試樣，開展了平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)，并獲得了相應(yīng)載荷-位移曲線。隨后通過(guò)超景深三維顯微鏡獲得了CT 試樣斷口的顯微圖和三維形貌，標(biāo)定了裂紋前緣，并精確測(cè)量了裂紋長(zhǎng)度。最終通過(guò)計(jì)算獲得PMⅠ泡沫的平面斷裂韌性KⅠC大小和離散系數(shù)，證明了實(shí)驗(yàn)的可行性和可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及試樣

實(shí)驗(yàn)所用材料為未經(jīng)熱處理的PMⅠ泡沫板材，密度為110 kg/m3。參考ASTM D 5045 標(biāo)準(zhǔn)[11]，切割為如圖1 所示的緊湊拉伸（Compact Tension，CT）試樣。圖1（a）為CT試樣示意圖，其中W為100 mm，B為50 mm。圖1 中的缺口首先通過(guò)薄鋸片機(jī)加工出尖端近似V 形的凹槽，然后使用薄刀片切出V 形凹槽尖端的最后2～4 mm，來(lái)預(yù)制出一個(gè)近似天然的裂紋。預(yù)制的裂紋應(yīng)保證應(yīng)力在試樣厚度方向上均勻分布，并且在預(yù)期的裂紋擴(kuò)展面兩側(cè)對(duì)稱分布。機(jī)加工的凹槽深與刀片預(yù)制裂紋長(zhǎng)度之和為a，需滿足0.45＜a/W＜0.55。CT 試樣實(shí)物如圖1（b）所示。

圖1 CT 試樣

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與方法

平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)按照ASTM D 5045 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)前將待測(cè)試樣置于（23±2）℃和相對(duì)濕度為（50±10）%的大氣環(huán)境下24 h 進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)溫度為23 ℃，選取5件已完成裂紋預(yù)制的試樣進(jìn)行PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)。將試樣安裝于如圖2 所示的PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)加載系統(tǒng)，加載系統(tǒng)由Ⅰnstron 5882 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和MTS斷裂韌性實(shí)驗(yàn)夾具組成。以10 mm/min 速率對(duì)試樣施加載荷，直到試樣斷裂，停止實(shí)驗(yàn)，同時(shí)記錄載荷-位移數(shù)據(jù)。

試樣斷裂以后，在斷口上測(cè)量裂紋長(zhǎng)度a。由于試樣為乳白色均質(zhì)多孔材料，直接通過(guò)肉眼難以分辨裂紋前緣。因此采用OLYMPUS DSX110 超景深三維顯微鏡對(duì)斷裂試樣斷口區(qū)域進(jìn)行不同高度掃描，并合成三維形貌，來(lái)進(jìn)行裂紋前緣的標(biāo)定和裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量。

圖2 PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)加載系統(tǒng)

2 結(jié)果與分析

PMⅠ泡沫平面斷裂韌性試樣的載荷-位移數(shù)據(jù)如圖3 所示。從圖3 中可見，加載起始時(shí)，隨著位移的增加，載荷增加越來(lái)越緩慢，變化較小。當(dāng)試驗(yàn)機(jī)夾頭位移上升到約0.5 mm 時(shí)，載荷開始增大，此階段載荷和位移基本呈線性關(guān)系，曲線比較平滑，裂紋逐漸張開，直至達(dá)到最大載荷。隨后載荷逐漸呈階梯狀下降，加載過(guò)程中CT 試樣沿著預(yù)制裂紋逐漸斷裂，最終斷為兩截，其破壞模式如圖3 所示。

圖3 PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)載荷-位移曲線及其破壞模式

通過(guò)超景深三維顯微鏡觀測(cè)平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)斷口，如圖4（a）所示。獲得裂紋前緣顯微如圖4（b），并生三維形貌如圖4（c）所示。通過(guò)三維形貌圖可以看出，通過(guò)刀片預(yù)制的裂紋較平緩，而裂紋擴(kuò)展后的天然裂紋區(qū)域具有較大的高低落差，粗糙度明顯大于預(yù)制裂紋的區(qū)域，因此通過(guò)識(shí)別平緩區(qū)和粗糙區(qū)的分界線，可以明晰地標(biāo)定出裂紋的前緣，繪制出裂紋前緣連線，并測(cè)量出裂紋的真實(shí)長(zhǎng)度。取沿厚度方向從缺口外邊及加載線到裂紋前緣測(cè)量5 處，即裂紋前緣的中心三點(diǎn)A2、A3、A4 以及每個(gè)表面上裂紋前緣邊緣A1、A5，如圖4（d）所示。五處測(cè)量長(zhǎng)度分別為a2、a3、a4以及a1和a2，取平均值作為裂紋長(zhǎng)度a，即a=（a1+a2+a3+a4+a5）/5。

圖4 平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)斷面測(cè)量

參考ASTM D 5045 標(biāo)準(zhǔn)，條件斷裂韌性KQ按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中：KQ為條件斷裂韌性，MPa·m1/2；Pm為最大破壞載荷，kN；B為試樣厚度，cm；W為試樣寬度，cm。

f（x）為有限寬度校正系數(shù)，按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式（2）中：x=a/W且0.45

按照本方法，只有試樣厚度B、裂紋長(zhǎng)度a以及韌帶尺寸（W－a）均滿足下式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果才是有效的：

式（3）中：KQ為條件斷裂韌性，MPa·m1/2；σy為PMⅠ泡沫屈服強(qiáng)度，MPa，本研究通過(guò)采用ASTM D 695 標(biāo)準(zhǔn)[12]，對(duì)PMⅠ泡沫拉伸試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲得PMⅠ泡沫屈服強(qiáng)度，大小為4.34 MPa。

如果材料的形狀能滿足式（3）的要求，則平面應(yīng)變斷裂韌性KⅠC=KQ。

將實(shí)驗(yàn)獲得的每一件試樣的最大載荷、裂紋長(zhǎng)度、試樣厚度、寬度以及裂紋長(zhǎng)度代入式（1）（2）中計(jì)算獲得條件斷裂韌性，然后通過(guò)公式（3）進(jìn)行有效性判斷，得到每件PMⅠ泡沫CT 試樣的平面斷裂韌性，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。其平均值大小為0.103 MPa·m1/2，離散系數(shù)大小為2.66%，顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的重復(fù)性。

3 結(jié)論

通過(guò)PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)加載系統(tǒng)，對(duì)含有預(yù)制裂紋的PMⅠ泡沫CT 試樣開展了平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)，并獲得了相應(yīng)載荷-位移曲線。隨后通過(guò)超景深三維顯微鏡獲得了CT 試樣斷口的顯微圖和三維形貌，標(biāo)定了平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)裂紋前緣，并精確測(cè)量了裂紋長(zhǎng)度。為多孔材料平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)裂紋長(zhǎng)度測(cè)量提供了新的方法。最終通過(guò)計(jì)算獲得PMⅠ泡沫的平面斷裂韌性KⅠC為0.103 MPa·m1/2，且離散系數(shù)2.66%，充分證明了實(shí)驗(yàn)的可行性和可靠性。

表1 PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實(shí)驗(yàn)結(jié)果