環(huán)氧樹脂材料動態(tài)拉伸與斷裂行為研究.pdf

1、聚合物及其復(fù)合材料具有低密度、耐腐蝕、絕緣電氣性能好，較好的比強度等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于民用和軍事工業(yè)領(lǐng)域。聚合物材料具有明顯的粘彈性行為，它的力學(xué)性能通常表現(xiàn)出較強的應(yīng)變率和溫度依賴性。基于分離式Hopkinson壓桿（SHPB）實驗技術(shù)，人們已對高應(yīng)變率壓縮下聚合物材料的力學(xué)響應(yīng)與損傷破壞開展了許多研究工作。然而，對于霍普金森拉桿實驗，由于啞鈴型試樣標(biāo)距長度的不確定性引起應(yīng)變率和應(yīng)變計算存在較大誤差。針對此問題，本文首先對傳統(tǒng)的SH

2、TB進(jìn)行了改進(jìn)，采用基于超高速相機(jī)的數(shù)字圖像相關(guān)性全場應(yīng)變測量技術(shù)對試件動態(tài)拉伸應(yīng)變進(jìn)行實時測量，解決了傳統(tǒng)SHTB實驗中應(yīng)變測量的不準(zhǔn)確性問題，隨后，采用改進(jìn)的SHTB實驗技術(shù)，以典型的熱固性高聚物環(huán)氧樹脂材料為研究對象開展了動態(tài)拉伸實驗研究，獲得了具有較高精度的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，討論了應(yīng)變率的影響，并建立了非線性粘彈性本構(gòu)關(guān)系，擬合了本構(gòu)參數(shù)，最后，對回收的試樣斷口形貌進(jìn)行分析，揭示其斷裂機(jī)理。具體的研究成果簡述如下：
　　

3、1）在分離式Hopkinson拉桿(SHTB)實驗系統(tǒng)上，發(fā)展了基于超高速相機(jī)和數(shù)字圖像相關(guān)性(DIC)分析方法的試件全場應(yīng)變測量新方法，同時搭建了同步觸發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)了桿上應(yīng)變片電壓數(shù)據(jù)和實時試件變形圖像同步采集。采用新實驗系統(tǒng)成功獲得了尼龍和鋁合金材料的動態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，驗證了DIC全場應(yīng)變分析在SHTB實驗中的有效性。DIC全場應(yīng)變分析得到的平均應(yīng)變與試件上應(yīng)變片測量結(jié)果一致性很好,而基于試件原始標(biāo)距的一維應(yīng)力波理論計算的平均

4、應(yīng)變則明顯偏大，需要對試件原始標(biāo)距進(jìn)行修正后才能獲得有效的試件應(yīng)變。基于DIC全場應(yīng)變測量，討論了應(yīng)變均勻性問題，結(jié)果顯示：脆性的尼龍試件在標(biāo)距范圍內(nèi)應(yīng)變均勻性良好，而韌性的鋁合金試件表現(xiàn)出比較嚴(yán)重的應(yīng)變不均勻性，歸因于頸縮變形的影響。
　　2）采用Instron5966試驗機(jī)和改進(jìn)的SHTB實驗裝置，對自制的環(huán)氧樹脂材料開展了不同應(yīng)變率下拉力學(xué)行為實驗研究，結(jié)果顯示：環(huán)氧樹脂材料無論是低應(yīng)變率（10-4～10-2s-1）和高應(yīng)變

5、率（500～1000s-1）下都表現(xiàn)出非常強烈的應(yīng)變率敏感性。采用在聚合物材料壓縮本構(gòu)關(guān)系——“朱-王-唐”方程的基礎(chǔ)上，驗證了“朱-王-唐”非線性粘彈性本構(gòu)方程可以較好的擬合環(huán)氧樹脂在低應(yīng)變率下的拉伸力學(xué)響應(yīng)，但對高應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)不能很好描述，因此，本文基于Kelvin-Voigt粘彈性模型，提出了適用于高應(yīng)變率下環(huán)氧樹脂拉伸本構(gòu)關(guān)系的非線性Kelvin-Voigt模型粘彈性體拉伸本構(gòu)關(guān)系，并擬合了本構(gòu)參數(shù)；
　　3）采用L

6、S-DYNA軟件自帶的考慮應(yīng)變率效應(yīng)的粘彈性材料模型對環(huán)氧樹脂的動態(tài)拉伸實驗進(jìn)行了數(shù)值模擬，計算中所用材料參數(shù)取自于實驗數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實驗結(jié)果基本一致；
　　4）對不同應(yīng)變率下環(huán)氧樹脂材料拉伸斷口進(jìn)行了顯微觀測，發(fā)現(xiàn)斷口呈現(xiàn)有斷裂源區(qū)、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)三個斷裂區(qū)，隨著材料拉伸應(yīng)變率的提高：斷裂源區(qū)銀紋承受達(dá)到最大拉應(yīng)力時間提前，應(yīng)力集中提前發(fā)生，相鄰分子鍵斷裂更快，斷裂源區(qū)逐漸減少；穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)所呈現(xiàn)鏡面