GF/VE复合材料劈裂拉伸力学性能与能量耗散分析

Analysis of Split Tensile Mechanical Properties and Energy Dissipation of GF/VE Composites

摘要

为探究玻璃纤维增强乙烯基酯（GF/VE）复合材料的动态劈裂拉伸力学行为和能量耗散情况，利用分离式霍普金森压杆（SHPB）等装置对5种不同GF含量的GF/VE复合材料进行巴西劈裂实验。借助高速摄像系统记录试样在动态加载中的变形破坏全过程，并分析试样在3种加载气压下（0.2、0.3、0.4 MPa）的能量耗散规律。结果表明：在巴西劈裂实验中，5种GF含量的GF/VE复合材料的入射能、反射能、吸收能及峰值应力均随加载气压的增加而增大。在相同加载气压下，GF/VE复合材料的静动态抗拉强度、吸收能密度和能量利用率在GF质量分数65%时均为最高，而GF质量分数70%时最低，入射能和反射能几乎不受GF含量的影响。研究成果可为GF增强树脂类脆性材料动态劈裂拉伸力学性能研究提供参考。

关键词

GF/VE复合材料 / 分离式霍普金森压杆 / 劈裂拉伸 / 抗拉强度 / 能量耗散

Key words

GF/VE composites / Split Hopkinson compression bar device / Split tensile / Tensile strength / Energy dissipation

玻璃纤维增强乙烯基酯(GF/VE)是一种典型的玻璃纤维增强树脂(GFRP)复合材料，具有力学性能优、抗疲劳、耐高温、耐腐蚀等特点，被广泛应用于化工、轨道交通、水处理等领域^[1]。当前，学者们对GFRP材料力学特性的深入研究较多^[2-5]。热引发剂浓度和缠绕速度的改变^[6]、共聚酯和聚氨酯无纺布的添加^[7]及单轴0°层压板拉伸^[8]、模压成型工艺等材料制备工艺的使用^[9]可有效提升GF/VE复合材料层间断裂韧性及抗拉强度。此类研究主要集中在GF/VE复合材料静动态拉伸性能方面，尚未有效表达能量耗散在动态劈裂拉伸中的作用。

能量耗散是材料破坏的原动力，反映材料内部微裂纹不断演化、强度逐渐弱化并最终失效的过程^[10]。近年来，学者们已对岩土、混凝土等材料展开大量的力学性能研究，并通过能量分析对材料变形破坏行为进行描述^[11-13]，将脆性材料的能量耗散与动态力学性能建立了紧密联系。

本研究利用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆(SHPB)等实验装置，选取玻璃纤维质量分数分别为55%、60%、65%、70%、75%的GF/VE复合材料作为研究对象，对GF/VE复合材料开展准静态及动态巴西劈裂实验，借助高速摄像系统观测试样在动态加载时变形破坏全过程，得到材料的应力、应变、动态抗拉强度等力学性能参数，尝试从能量角度出发分析不同加载气压下GF/VE复合材料在巴西劈裂实验中的能量耗散规律，深入探讨能量耗散对GF/VE复合材料动态拉伸力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

玻璃纤维(GF)，386T-E型玻纤直纱，中国巨石集团有限公司；乙烯基酯树脂(VE)，R-806，上海昭和高分子有限公司；脱模剂，LLT-R-311，新乡市隆立钿化工制剂有限公司；过氧化二苯甲酰，诺力昂L-W75，常州芸诺复合材料科技有限公司；甲酸叔丁酯，工业级，泰州市远大化工原料有限公司。

1.2 仪器与设备

卧式拉挤成型设备，自制，东莞市信一复合材料制品有限公司；万能材料试验机，INSTRON-5943，美国INSTRON公司；分离式霍普金森压杆(SHPB)装置，直径14.5 mm，洛阳利维科技有限公司；高速摄像系统，Phantom v1212，美国Vision Research公司。

1.3 样品制备

GF/VE复合材料样品主要通过卧式拉挤成型工艺制备而成。表1为GF/VE复合材料配方。VE混合溶液由VE和辅料构成，辅料包含质量分数1%的脱模剂、1%的氧化二苯甲酰、0.5%的甲酸叔丁酯及滑石粉。将GF与VE溶液彻底混合后经过加热成型模具模塑成型固化，按照表1的配方，通过改变GF的质量分数(55%、60%、65%、70%、75%)制备直径12 mm、长度5 mm的GF/VE复合材料样品。

1.4 性能测试与表征

准静态劈裂拉伸力学性能测试：采用万能材料试验机对GF/VE复合材料开展巴西劈裂实验，加载速度为0.5 mm/min，应变率约为0.001 s^-1，每组实验进行3次，对数据取平均值后获得GF/VE复合材料在准静态下应力-应变曲线。

动态劈裂拉伸力学性能测试：采用SHPB装置对5种不同GF含量的GF/VE复合材料进行巴西劈裂实验，加载气压分别为0.2、0.3、0.4 MPa，每组实验进行3次，对数据取平均值后获得GF/VE复合材料在动态下的巴西劈裂力学性能。

动态形变观测：采用高速摄像系统，帧率76 000 fps，分辨率384×288 pixel，观测试样在动态加载中的变形全过程。

2 结果与讨论

2.1 GF/VE复合材料的力学性能

2.1.1 准静态劈裂拉伸力学性能

图1为准静态巴西劈裂实验中GF/VE复合材料准静态劈裂拉伸应力-应变曲线。从图1可以看出，随着应变的增加，材料的流动应力随之增加，体现了明显的应变强化效应。总体变化趋势大致呈现3个阶段：压实阶段—弹性阶段—卸载阶段。压实阶段，应力随应变的增加缓缓上升；弹性阶段，应力随应变的增加呈线性上升；卸载阶段，应力持续增加直到材料发生断裂。GF/VE复合材料在准静态巴西劈裂实验中不存在屈服现象，劈裂拉伸应力达到抗拉强度后试样立即发生劈拉破坏，GF质量分数65%的GF/VE复合材料静态抗拉强度最大，GF质量分数70%的GF/VE复合材料静态抗拉强度最小。

2.1.2 动态劈裂拉伸力学性能

表2记录了0.2 MPa加载气压下GF/VE复合材料巴西劈裂实验在0、60、120、180 µs的变形过程。从表2可以看出，不同GF含量的GF/VE试样失效过程相似，即裂纹从试样中心开始产生，并沿加载方向传播，形成主裂纹，随着裂纹宽度的增加，试样最终裂分为两半，表现出脆性失效特征。

图2为GF/VE复合材料典型应力时程曲线。从图2可以看出，在动态加载环境下，GF/VE复合材料的应力变化过程可划分为4个主要阶段。首先是压实阶段，随着载荷的增加，GF/VE试样内部逐渐被压实，劈裂强度增速加快，应力曲线呈现上凹趋势；接着是弹性阶段，此时劈裂强度随时间线性增长；随后是强化阶段，当达到流变应力点后，劈裂强度的增速减缓，曲线斜率逐渐减小，这一现象在GF含量较低及加载气压较低时尤为显著；最后是卸载阶段，达到峰值应力后，试样发生断裂卸载。相同GF含量的GF/VE复合材料表现出敏感性特征，峰值应力随着加载气压的增加而增大，并且达到峰值应力所需的时间明显缩短。存在这种现象的原因为：气压加载时间比较短暂，随着加载气压的增加，试样内部的微裂纹不能迅速开裂或贯穿，试样变形延迟，并且这种延迟现象越来越明显，导致试样的拉伸强度随之扩大。GF质量分数65%的GF/VE复合材料峰值应力在各种加载气压下均超过60 MPa，当质量分数大于65%时，GF/VE复合材料峰值应力呈下降趋势。

图3为不同加载气压下GF/VE复合材料的拉伸强度。从图3可以看出，在相同加载气压下，GF/VE复合材料的动态拉伸强度会因GF含量的变化而上下波动，GF质量分数65%的GF/VE复合材料在各种加载气压下的动态拉伸强度均为最高，说明GF质量分数65%的GF/VE复合材料抗拉强度更为敏感。GF质量分数70%的GF/VE复合材料的动态拉伸强度最低。

2.2 动态冲击下GF/VE复合材料的能量耗散规律

2.2.1 动态劈裂拉伸能量计算

当试样发生劈拉断裂时，透射波达到了应力值峰值，所对应的最大拉伸应力即为GF/VE复合材料动态抗拉强度 {\sigma }_{\mathrm{d}\mathrm{t}}。试样中裂纹的生长需要消耗能量，并在一定程度上反映出材料内部的损伤^[14]。因此，从能量耗散的角度可以更清晰准确地反映不同GF含量对GF/VE复合材料抗拉强度的影响。GF/VE复合材料巴西劈裂实验中能量主要包括入射能 W_{\mathrm{i}}、反射能 W_{\mathrm{r}}、透射能 W_{\mathrm{t}}和试样吸收能 W_{\mathrm{s}}，它们之间符合能量守恒定律^[15]。

W_{\mathrm{s}} = W_{\mathrm{i}} - W_{\mathrm{r}} - W_{\mathrm{t}} (1)

式(1)中：吸收能 W_{\mathrm{s}}主要包括破碎耗能及其他动能，破碎耗能指材料发生变形及破坏所损耗的能量，一般占比不低于95%，而实验中材料的碎屑弹出等其他动能测量比较困难，因此试样的吸收能近似等于破碎耗能。 W_{\mathrm{i}}、 W_{\mathrm{r}}和 W_{\mathrm{t}}分别为入射波 {\epsilon }_{\mathrm{i}}、反射波 {\epsilon }_{\mathrm{r}}和透射波 {\epsilon }_{\mathrm{t}}携带的能量^[16]。

W_{\mathrm{i}} = E_s A_s c_{\mathrm{0}} {\displaystyle \underset{\mathrm{0}}{\overset{\tau }{\int }}} {\epsilon }_{\mathrm{i}}^{\mathrm{2}} \mathrm{d} t (2)

W_{\mathrm{r}} = E_s A_s c_{\mathrm{0}} {\displaystyle \underset{\mathrm{0}}{\overset{\tau }{\int }}} {\epsilon }_{\mathrm{r}}^{\mathrm{2}} \mathrm{d} t (3)

W_{\mathrm{t}} = E_s A_s c_{\mathrm{0}} {\displaystyle \underset{\mathrm{0}}{\overset{\tau }{\int }}} {\epsilon }_{\mathrm{t}}^{\mathrm{2}} \mathrm{d} t (4)

式(2)~(4)中： A_{\mathrm{s}}为霍普金森压杆中杆件的横截面积，m²； E_{\mathrm{s}}为杆件的弹性模量，Pa； c_{\mathrm{0}}为杆件中的传播波速，m/s；t为应力波的传播时间，s。

2.2.2 动态劈裂拉伸能量耗散规律

表3为计算得到的GF/VE复合材料在动态巴西劈裂实验中的相关能量参数，其中p为加载气压， \dot{\epsilon }为应变率，ω为吸收能密度，η为能量利用率。从表3可以看出，在动态巴西劈裂实验中，试样的入射能、反射能和吸收能均随着加载气压的增加而增大；透射能几乎为0，说明应力波携带的透射能很小，可不考虑透射能的影响。

图4为GF/VE复合材料能量耗散与GF质量分数的关系。从图4可以发现，在相同加载气压下，5种GF/VE复合材料吸收能呈先缓慢上升后骤然下降的趋势，GF质量分数为65%时试样的吸收能在各种加载气压下均达最大，说明添加GF质量分数为65%有助于提高GF/VE复合材料的吸收能。入射能没有明显波动，反射能变化平缓，表明GF含量变化不影响材料的入射能和反射能。

图5为GF/VE复合材料吸收能密度与应变率的关系。从图5可以看出，随着应变率的增加，GF/VE复合材料的吸收能密度均呈线性增长趋势，表明应变率越大，GF/VE复合材料单位体积内吸收能越大。相同应变率下，GF质量分数65%的GF/VE复合材料在单位体积内吸收能最大，GF质量分数70%的GF/VE复合材料单位体积内吸收能最小。

图6为GF/VE复合材料能量利用率与应变率的关系。从图6可以看出，同图5中显示的吸收能密度与应变率的关系一致，GF质量分数65%的GF/VE复合材料能量利用率最大，GF质量分数70%的GF/VE复合材料能量利用率最小。这进一步验证了巴西劈裂实验中的结论，即GF/VE复合材料单位体积内吸收能越大，其抗拉强度越大，说明试样更难被破坏，表明从能量耗散角度研究GF/VE复合材料的动态劈裂拉伸力学性能是可行的。

3 结论

GF含量相同时，GF/VE复合材料有一定的敏感性特征，峰值应力随着加载气压的增加而增大，达到峰值应力所需的时间明显缩短；加载气压一定时，GF含量直接影响GF/VE复合材料的动态拉伸强度，GF质量分数65%的GF/VE复合材料在各种加载气压下的动态拉伸强度均达最高值。从能量角度分析，入射能、反射能和吸收能均随加载气压的增加而线性上升。在相同加载气压下，5种GF含量的GF/VE复合材料吸收能变化趋势明显，GF质量分数为65%时，试样的吸收能在各种加载气压下均达最大值。应变率相同时，GF质量分数65%的GF/VE复合材料吸收能密度及能量利用率最大，进一步验证了巴西劈裂实验中的结论，即GF/VE复合材料单位体积内吸收能越大，其抗拉强度越大，试样更难被破坏。

参考文献

[1] HATTI P S, KUMAR S L, SOMANAKATTI A B, et al. Investigation on tensile behavior of glass-fiber reinforced polymer matrix composite with varying orientations of fibers[J]. Materials Today: Proceedings, 2022, 54(P2): 137-140.

[2] KIM D H, KANG S Y, KIM H J, et al. Strain rate dependent mechanical behavior of glass fiber reinforced polypropylene composites and its effect on the performance of automotive bumper beam structure[J]. Composites Part B: Engineering, 2019, 166: 483-496.

[3] POURNOORI N, SOARES C G, ORELL O, et al. Adiabatic heating and damage onset in a pultruded glass fiber reinforced composite under compressive loading at different strain rates[J]. International Journal of Impact Engineering, 2021, 147: 103728.

[4] NSENGIYUMVA W, ZHONG S, CHEN X, et al. Toward tailoring the mechanical and dielectric properties of short glass fiber-reinforced epoxy composites[J]. Polymer Composites, 2024, 45(1): 535-554.

[5] 段焕天.玻璃纤维/乙烯基酯复合材料静动态力学性能研究[D].合肥:安徽建筑大学,2022.

[6] CHEN X D, LI Y, HUAN D J, et al. Preparation and mechanical properties of UV⁃assisted filament winding glass fiber reinforced polymer⁃matrix composite[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 37(3): 467-480.

[7] 马鹏,李进,康少付,不同无纺布对玻纤/乙烯基酯复合材料力学性能的影响[J].复合材料科学与工程,2020(5):69-73.

[8] 韩巧丽,李汪灏,邢为特.E-玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料拉伸与模态特性分析[J].太阳能学报,2020,41(1):210-216.

[9] 彭新龙.玻璃纤维对乙烯基酯复合材料层间性能的影响[J].热固性树脂,2023,38(3):49-54.

[10] 平琦,马芹永,袁璞.岩石试件SHPB巴西劈裂试验中能量耗散分析[J].采矿与安全工程学报,2013,30(3):401-407.

[11] LUO Y, WANG G, LI X P, et al. Analysis of energy dissipation and crack evolution law of sandstone under impact load[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2020, 132: 104359.

[12] YANG R Z, XU Y, CHEN P Y, et al. Experimental study on dynamic mechanics and energy evolution of rubber concrete under cyclic impact loading and dynamic splitting tension[J]. Construction and Building Materials, 2020, 262: 120071.

[13] XIE H Z, YANG L Y, ZHANG Q H, et al. Research on energy dissipation and damage evolution of dynamic splitting failure of basalt fiber reinforced concrete[J]. Construction and Building Materials, 2022, 330: 127292.

[14] 徐颖,邵彬彬,许维伟,短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料的动态巴西劈裂实验[J].爆炸与冲击,2017,37(2):315-322.

[15] KONG X G, HE D, LIU X F, et al. Strain characteristics and energy dissipation laws of gas-bearing coal during impact fracture process[J]. Energy, 2022, 242: 123028.

[16] 温森,赵现伟,常玉林,基于SHPB的复合岩样动态压缩破坏能量耗散分析[J].应用基础与工程科学学报,2021,29(2):483-492.

基金资助

安徽高校自然科学研究重大项目(KJ2023AH040036)

合肥市自然科学基金项目(HZR2432)

安徽高校协同创新项目(GXXT-2023-025)