玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料的彎曲性能及破壞特征

蔡玄龍，馮少博，柯賢朝

(上海材料研究所 上海市工程材料應用評價重點實驗室, 上海 200437)

隨著我國工業的快速發展，復合材料得到廣泛應用[1-5]。玻璃纖維增強環氧樹脂壓制的復合材料也稱玻璃鋼，作為復合材料的典型代表，與金屬等傳統材料相比具有比強度高、耐疲勞、耐高低溫等特點，在多個領域中成為重要材料。

針對玻璃鋼復合材料的力學性能，國內外學者已進行了大量的研究。SAS H S等[6]發現不同的鋪層方式和鋪層角度會對整體材料的滲透性能產生影響。張磊等[7]對玻璃鋼進行了不同纖維方向的拉伸試驗，試驗結果表明，將玻璃鋼材料沿纖維方向制成拉桿等形狀，可以替代傳統材料在輸電桿塔中的應用。劉華等[8]對玻璃鋼進行了拉伸試驗，通過掃描電鏡(SEM)觀察破壞的斷口發現，拉伸試樣的破壞形式為纖維和基體的結合能破壞，并通過改善兩者間的結合性能，獲得了性能更優的玻璃鋼材料。

為進一步對比不同預浸料制成的玻璃鋼的彎曲性能，筆者以現有研究為基礎，選用單向玻璃纖維/環氧樹脂預浸料和平紋玻璃纖維/環氧樹脂預浸料，分別壓制成2 mm厚的環氧玻璃鋼復合材料，加工成試樣后進行彎曲試驗，得到相應彎曲性能參數；觀察彎曲破壞的試樣斷口，并分析破壞特征，以期為該類環氧玻璃鋼的應用提供指導。

1 試驗方法

試驗使用某公司生產的玻璃纖維/環氧樹脂預浸料，其包括單向玻璃纖維預浸料(G1)、單向玻璃纖維預浸料(G2)、平紋玻璃纖維織物預浸料(G1911)3類，其中，G1和G2的厚度不同。

按圖1、圖2所示分別裁剪0°，45°，90°不同方向的玻璃纖維預浸料，按一定方式鋪層后放入模具，然后在一定壓力下加熱固化。將固化后的玻璃鋼層合板切割加工制成彎曲試樣，試樣尺寸為150 mm×15 mm×2 mm。采用CMT5305型電子萬能試驗機對玻璃鋼試樣進行彎曲試驗，然后使用XTZ-E型連續變倍體視顯微鏡對斷口進行觀察。按GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》的技術要求對制備的試樣進行彎曲性能測試，下壓速度為10 mm·min-1。

圖1 單向玻璃纖維預浸料不同方向裁剪示意圖

圖2 平紋玻璃纖維織物預浸料0°裁剪示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 彎曲損傷過程

彎曲過程的典型載荷-撓度曲線如圖3所示(彎曲試樣選用單向玻璃纖維預浸料G2，鋪層方式為0°和90°交替鋪層)。可見在彎曲加載過程中，試樣彎曲試驗過程可分為3個階段：(1)彈性階段，在此階段內，玻璃鋼處于彈性變形階段，隨著載荷逐漸增大，試樣中細小缺陷處會逐漸發生破壞，載荷-撓度曲線表現為細小鋸齒狀的上升[9]；(2)彈塑性階段，隨著載荷進一步增大，玻璃鋼內部的大量纖維束開始斷裂[10]，當部分纖維束斷裂后，載荷施加在未斷裂的其他纖維束上，此階段中玻璃鋼內部的應力不斷重新分布，當達到最大載荷時，載荷-撓度曲線表現為突然下降；(3)塑性階段，試樣發生局部載荷突然下降后，玻璃鋼內絕大多數纖維束已經發生斷裂[11]，載荷-撓度曲線表現為突降后又緩慢上升。

圖3 彎曲過程的典型載荷-撓度曲線

2.2 彎曲破壞形式

在彎曲試驗中，彎曲試樣斷口的破壞形式分為壓潰破壞和層間剪切破壞。圖4a)的破壞形式(彎曲試樣選用單向玻璃纖維預浸料G2，鋪層方式為0°鋪層)屬于壓潰破壞，可見試樣的彎曲斷口與試樣邊緣呈90°，樹脂基體發生開裂;由圖4c)和圖4d)可見，斷口有部分樹脂顆粒，同時可見斷裂的纖維。壓潰破壞的載荷-撓度曲線如圖4b)所示，在壓潰的瞬間大量纖維與樹脂斷裂，載荷急速下降。

圖4 彎曲試樣壓潰破壞的斷口形貌及載荷-撓度曲線

圖5a)的破壞形式(彎曲試樣選用單向玻璃纖維預浸料G2，鋪層方式為±45°交替鋪層)屬于層間剪切破壞；隨著彎曲載荷的增加，玻璃鋼內部的纖維開始斷裂，裂紋迅速擴展，同時向樹脂基體擴散，最終導致內部的玻璃纖維與樹脂基體剝離，形成內部的層間脫粘，導致失效破壞，如圖5c)和圖5d)所示。層間剪切破壞的載荷-撓度曲線如圖5b)所示，在載荷逐漸增加的過程中，曲線不會有較大的突降，表現為波浪形的上升和下降。

圖5 彎曲試樣層間剪切破壞的斷口形貌及載荷-撓度曲線

2.3 鋪層角度對環氧玻璃鋼彎曲性能的影響

對鋪層角度不同的試樣進行彎曲試驗，結果如表1所示，可以發現單向纖維鋪層中，±45°鋪層試樣的破壞形式為層間剪切破壞，其余鋪層方式的破壞均為壓潰破壞；0°纖維試樣彎曲強度為45°纖維試樣的8.3倍，為90°纖維試樣的11倍。由于在玻璃鋼試樣的彎曲過程中0°纖維主要起承力作用，所以0°纖維制成的試樣彎曲強度較高，而90°纖維制成的試樣在彎曲過程中僅有樹脂承受載荷，彎曲強度較低。對于交叉鋪層的試樣，0°/90°纖維交替鋪層試樣的彎曲強度同樣優于±45°纖維鋪層試樣的。在進行產品結構設計時，承力部位應選用0°纖維或0°/90°纖維交替鋪層的方式。

表1 不同鋪層角度試樣的彎曲強度

2.4 鋪層方式對環氧玻璃鋼彎曲性能的影響

在其他影響因素不變的情況下，可以發現試樣鋪層方式不同，彎曲強度也不同，不同鋪層方式下試樣的彎曲強度如表2所示，可以發現0°方向預浸料置于最外側的試樣(序號3),其彎曲強度高于90°置于最外側試樣(序號2)的；均勻鋪層試樣的彎曲強度高于非均勻鋪層試樣的。在產品結構設計中，需根據使用位置的強度需求，選擇合適的鋪層方式。

表2 不同鋪層方式試樣的彎曲強度

2.5 預浸料種類對環氧玻璃鋼彎曲性能的影響

對3種不同型號同一鋪層方式的預浸料進行彎曲試驗，結果如表3所示。由表3可見，由于兩種單向纖維預浸料的內部纖維種類和樹脂含量相同，且壓制過程中采用相同的生產工藝，因此兩種單向纖維預浸料的彎曲強度基本接近；單向纖維預浸料試樣的彎曲強度高于平紋玻璃纖維織布試樣6.6%。3種預浸料的彎曲強度差異不大，在產品結構設計時，可以根據工藝需求，選擇預浸料的種類。

表3 不同種類預浸料試樣的彎曲強度

3 結論

(1)玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料的典型彎曲破壞過程可分為3個階段，即彈性階段、彈塑性階段、塑性階段。

(2)對于單向纖維鋪層試樣，0°纖維試樣彎曲強度約為45°纖維試樣的8.3倍，為90°纖維試樣的11倍；對于交叉鋪層試樣，0°/90°纖維交替鋪層試樣的彎曲強度同樣優于±45°纖維交替鋪層試樣的。

(3)對于不同鋪層方式的試樣，0°鋪層置于最外側試樣的彎曲強度高于90°置于最外側試樣的；均勻鋪層試樣的彎曲強度高于非均勻鋪層試樣的。

(4)單向纖維預浸料試樣的彎曲強度略高于平紋玻璃纖維織布試樣的。