酚醛層壓材料的壓縮力學(xué)行為及破壞機理

酚醛層壓材料的壓縮力學(xué)行為及破壞機理

酚醛層壓板由pf樹脂制成，由棉紡填充。經(jīng)過加熱和壓碎后，它被硬化成壓板、板管、環(huán)管等產(chǎn)品，具有抗沖擊、抗研磨、減振、吸熱、抗損傷等性能，密度適宜。它廣泛應(yīng)用于軍事武器、飛機和其他部件的生產(chǎn)中。在這些應(yīng)用中,酚醛層壓材料受到?jīng)_擊載荷作用,而在沖擊載荷下材料往往表現(xiàn)出與靜態(tài)下不同的力學(xué)特性。對高聚物材料在不同加載條件下的力學(xué)響應(yīng)以及本構(gòu)關(guān)系的研究由來已久,孫朝翔等然而目前對酚醛層壓材料在不同加載條件下的力學(xué)性能以及本構(gòu)關(guān)系的研究尚未見到有公開的報道。為了更好地研究酚醛層壓材料在實際使用過程中的變形、斷裂等力學(xué)性能和損傷破壞機制,并建立符合材料力學(xué)性能的本構(gòu)模型。本文中利用CMT4254萬能試驗機和南京理工大學(xué)火箭技術(shù)實驗室的SHPB實驗臺對酚醛層壓材料在準靜態(tài)和動態(tài)加載條件下的軸向壓縮性能進行實驗研究,得到這種材料本構(gòu)關(guān)系的初步結(jié)果,并對材料的力學(xué)性能和損傷機制進行討論。1實驗1.1加工尺寸實驗所用試樣由3723酚醛層壓棒料經(jīng)機械加工而成,試樣的公稱尺寸為ue07e13mm×10mm,加工時保持試樣2個端面間良好的垂直度和平行度。1.2微波整形和等效劑用量的優(yōu)化酚醛層壓材料的準靜態(tài)壓縮實驗是在CMT4254萬能試驗機上進行的,加載應(yīng)變率分別為1.67×10酚醛層壓材料的動態(tài)壓縮實驗在SHPB實驗臺進行,加載應(yīng)變率分別為7×10(1)由于酚醛層壓材料的波阻抗較小,因此采用鋁桿作為輸入和輸出的波導(dǎo)桿,可以減少波阻抗不匹配對測試結(jié)果的影響。(2)利用圓形黃銅片加在撞擊端作為波形整形器,對入射脈沖進行整形。圓形黃銅片底面直徑為6mm,厚度為1mm。在實驗中該波形整形器可以將矩形入射脈沖整形為近似冪函數(shù)入射脈沖,拉長入射脈沖上升沿,增加梯形波上升時間,減少彌散效應(yīng)引起的高頻振蕩,保證有足夠的時間使試樣內(nèi)部應(yīng)力達到均勻。圖2是加載應(yīng)變率為1.1×10(3)在試樣的兩個端面涂抹潤滑油,以減小試樣和波導(dǎo)桿端面之間的摩擦。借助于入射桿和透射桿上粘貼的應(yīng)變片,經(jīng)超動態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng),將波形測量并記錄下來,實驗中典型的波形如圖2所示。實驗結(jié)果表明,利用鋁桿作為波導(dǎo)桿進行酚醛層壓材料沖擊壓縮實驗方案是可行的。根據(jù)波導(dǎo)桿上記錄的信號,利用二波法2結(jié)果與討論2.1材料的應(yīng)變曲線圖4是酚醛層壓材料在準靜態(tài)加載條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線,由圖3~4可見,隨著應(yīng)變率的增加,破壞應(yīng)變減小,峰值應(yīng)力增加。在準靜態(tài)加載條件下,應(yīng)力應(yīng)變曲線在開始階段呈線性增加,變形為彈性或近似彈性,隨著載荷的增加,變形增大,直至逐漸進入屈服階段,屈服階段之后,材料的應(yīng)力增加緩慢而應(yīng)變不斷增加,呈現(xiàn)出明顯的塑性變形?？傮w來說,在準靜態(tài)載荷下,酚醛層壓材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯的偽塑性、非線性特征。在動態(tài)載荷(7×10圖5是試樣在應(yīng)變?yōu)?.05時的應(yīng)力-自然對數(shù)應(yīng)變率曲線,該圖直觀地揭示了酚醛層壓材料具有應(yīng)變率硬化效應(yīng),對應(yīng)變率較為敏感。當應(yīng)變率為1.67×102.2宏觀破壞模型的分析圖6(a)是實驗前的試樣,圖6(b)、(c)分別是應(yīng)變率為1.67×10圖6(d)、(e)分別是應(yīng)變率為7×102.3應(yīng)變曲線分析高分子聚合材料宏觀力學(xué)性能是分子微觀運動的表現(xiàn),從高分子聚合材料變形的微觀機制來看,具有高交聯(lián)度網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的酚醛層壓材料,其內(nèi)部運動單元包括側(cè)基、鏈段以及沒有完全交聯(lián)的整鏈等,這些單元在運動中存在各種形式的阻尼,起到相當于粘壺一樣的力學(xué)效應(yīng),在材料的宏觀動態(tài)力學(xué)性能———應(yīng)變曲線上就表現(xiàn)出時間效應(yīng),即應(yīng)變率相關(guān)。這就說明在低應(yīng)變率下和高應(yīng)變率下,材料力學(xué)性能的微觀機制不同,在宏觀上反映出材料在準靜態(tài)下與在動態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線有較大的差別。在各個應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線總體來說呈非線性特征,這一方面與材料的應(yīng)變率效應(yīng)有關(guān),另一方面還與高聚物材料本身的非線性彈性性質(zhì)有關(guān)。綜上,酚醛層壓材料是一種非線性的黏彈性材料。朱-王-唐非線性黏彈性本構(gòu)關(guān)系式中:E所有實驗均是在常溫下完成,且不考慮損傷及熱軟化對材料力學(xué)性能的影響,利用2組低應(yīng)變率實驗數(shù)據(jù)和2組SHPB實驗得到的高應(yīng)變率實驗數(shù)據(jù),結(jié)合式(2)可以擬合得到式(1)中的7個參量:E圖7是實驗結(jié)果和本構(gòu)關(guān)系擬合結(jié)果的對比,可以看出,擬合數(shù)據(jù)與實驗曲線吻合較好,說明該本構(gòu)模型能夠較好地在寬應(yīng)變率范圍內(nèi)描述酚醛層壓材料的力學(xué)行為。3醛層壓材料的動態(tài)破壞特性(1)利用鋁桿SHPB裝置和萬能試驗機獲得了酚醛層壓材料在動態(tài)載荷和準靜態(tài)載荷下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。(2)酚醛層壓材料的峰值應(yīng)力和破壞應(yīng)變具有強烈的應(yīng)變率效應(yīng),與準靜態(tài)(1.67×10(3)酚醛層壓材料在準靜態(tài)載荷下,具有