超高分子量聚乙烯_短玻璃纤维复合材料力学特性和断裂形.pdf

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1、Vol.13高分子材料科学与工程No141997年7月POL YM ER IC MA TER I AL S SC IENCE AND EN GI N EER I N GJul.1997超高分子量聚乙烯?短玻璃纤维复合材料力学特性和断裂形态分析史铁军(合肥工业大学化工学院,合肥,230009)冯建平(中国科技大学结构分析开放实验室)谭晓霞(煤炭部煤科总院合肥研究所)摘要用辊压和模塑方法加工了超高分子量聚乙烯?短玻璃纤维(UHMW PE?SGF)复合材料,研究了它的拉伸和冲击性能以及断裂形态和方式。结果表明,拉伸时UHMW PE具有明显的屈服变形和塑性流动,复合材料拉伸强度随玻璃纤维含量增加而变大

2、,而冲击强度的变化则相反;拉伸和缺口冲击断裂是以两种不同方式进行的,拉伸是 次级断裂 而冲击则是 撕裂断裂。关键词超高分子量聚乙烯,复合材料,拉伸断裂,冲击断裂超高分子量聚乙烯(UHMW PE)是具有优异的耐冲击、耐磨耗、自润滑和耐低温特性的工程塑料。由于其分子量极高,熔体弹性很大,分散和混合特性不好,给加工成型带来很大的困难,一般不能用通用方法加工超高分子量聚乙烯材料和制品。有关UHMW PE的研究报导,多数集中在其结晶形态和用各种特殊加工方法使其成为高模量和高强度的纤维研究方面13。70年代,W ard等4开创性地用 固相挤出 方法得到模量为70 GPa的超高分子量PE,是这方面工作的代表

3、。类似的挤出、拉伸研究目前仍然很多。但是,有关UHMW PE复合材料的研究却很少涉及。热塑性高分子?纤维复合材料由于可以反复加工,具有广泛的应用前景。本研究用特殊的辊压和模塑方法制备了UHMW PE?SGF复合材料,研究了复合材料的力学性能和断裂形态,发现UHMW PE?SGF复合材料拉伸和冲击(缺口)断裂是以两种不同的方式进行的。1实验部分1.1材料UHMW PE:上海化工研究院有机所产品,其分子量约300万左右。SGF:南京玻璃纤维研究院产品,直径约1013m,长为56 mm,混合前用硅烷偶联剂湿法处理。1.2复合材料力学性能测试复合材料拉伸力学性能测试,按标准GB1040-79在电子万能

4、材料试验机DCS25000上中国科学院结构分析开放实验室课题收稿日期:1995-06-03进行。冲击强度测试按标准GB1843-80在UJ24 Izod冲击试验机上进行。1.3复合材料拉伸和冲击断裂形态将复合材料断口在真空下镀膜,然后在X2650扫描电镜上观察断口形态,并照相。加速电压为25 kV。Fig.1Stressstrain curve of UHMWPE2结果与讨论2.1复合材料力学性能按1.2节的标准测试,UHMW PE的力学性能为拉伸强度:236 kg?cm2,冲击强度:未拉断,弹性模量:46.88 kgf?cm2,伸长率:679.2%。Fig.1为其拉伸曲线。由此可以看出,UH

5、MW PE具有极高的冲击性能,拉伸时有明显的屈服变形和塑性流动。处于Tg以下的非晶态高分子,或在Tm以下的结晶高分子皆具有塑性屈服特性。由于高分子材料具有粘弹性,所以它的屈服微观机制与金属材料完全不同。一般认为结晶高分子的片晶之间的滑移造成了屈服塑性流动。而UHMW PE的屈服行为不但有片晶之间滑移的影响,而且有类串晶之间滑移的影响5。Tab.1M echan ical properties of UHMWPE?SGF compositesUHMW PE?SGFTensile strength(kgf?cm2)I mpact strength(kgfcm?cm2)Elastic modulus

6、(kgf?mm2)Elongation(%)100?103128.993.9814100?204238.794.2011100?304497.092.169.6Fig.2Stressstrain curves of UHMWPE?SGF compos-itesUHMW PE?SGF1:100?10;2:100?20;3:100?30.Tab.1为UHMW PE?SGF复合材料的力学性能,Fig.2为其拉伸曲线。从Tab.1和Fig.2中可以看出,经过玻璃纤维复合的UHMW2PE拉伸强度和弹性模量均有较大的提高,但冲击强度和伸长率却有较大程度降低,虽然如此,复合材料依然处在耐冲击范围。复合材料随

7、玻璃纤维含量增加,屈服塑性流动逐渐变小,这是由于玻璃纤维含量增加,两相界面的作用力逐渐增加,限制了UHMW PE片晶和类串晶的滑移所致。2.2复合材料断裂形态Fig.3(a)、Fig.3(b)和Fig.4(a)、Fig.4(b)为UHMW PE?SGF复合材料拉伸断口电镜照07高分子材料科学与工程1997年片;Fig.5(a)、Fig.5(b)和Fig.6(a)、Fig.6(b)为复合材料冲击断口电镜照片。(a)(b)Fig.3Scanning electron m icrograph of tensile fractureof UHMWPE?SGF(100?20)composite(a)(b

8、)Fig.4Scanning electron m icrograph of tensile fractureof UHMWPE?SGF(100?30)composite(a)(b)Fig.5Scanning electron m icrograph of i mpact frac-ture(notch)of UHMWPE?SGF(100?20)com-posite(a)(b)Fig.6Scanning electron m icrograph of i mpact frac-ture(notch)of UHMWPE?SGF(100?30)com-posite从电镜照片中可以看出,复合材料拉伸

9、和冲击断口具有两种明显不同的形貌。从Fig.3和Fig.4可知,由于拉伸时加载速度较慢,复合材料的断裂属于 次级断裂6,次级断裂是主裂纹阵面未到达以前,裂纹端处银纹内形成的断裂源,此种断裂主要发生在两相界面处,由于基体的韧性很好,次级断裂源形成过程中,界面处的基体有较多的时间变形,逐渐长大互相复合,同时也与主裂纹阵面复合,最后发生断裂。从Fig.5和Fig.6可知,由于带缺口冲击断裂加载速度很快,裂纹扩展的速度也较快,裂纹发展以 撕裂形式6进行,但是两相之间的分离主要发生在界面基体一侧,所以宏观表现出来复合材料仍具有较高的冲击强度。参考文献1Perkin W G.Porter R S.J.M

10、ater.Sci.,1977,12:23552Sm ith P,L em stra P J.J.M ater.Sci.,1980,15:5053Bigg D M,Epstein M M,Fiorenti me R J,et al.J.Appl.Polym.Sci.,1981,26:3954W ard IM.J.M ater.Sci.,1974,9:11935史铁军(Shi T iejun),冯建平(Feng Jianping),谭晓霞(Tan Xiaoxia).高分子材料科学与工程(Poly2mericM aterials Science&Engineering),1997,(1):1146吕

11、锡慈(L u Xici).高分子材料强度与破坏(Strength and Fracture of PolymerM aterials).四川教育出版社17第4期史铁军等:超高分子量聚乙烯?短玻璃纤维复合材料力学特性和断裂形态分析(Sichuan Education Press),1988:292,294M ECHANICAL PROPERTIES AND FRACTUREMORPHOLOGYOF ULTRA-HIGHMOLECULARW EIGHT POLYETHYLENE?SHORT GLASS FIBRE COM POSTIESShi T iejun(College of Chem ica

12、l Eng ineering,H ef ei U niversity of T echnology,H ef ei)Feng Jianping(S tructure R esearch L aboratory,U niversity of S cience and T echnology of China,H ef ei)Tan Xiaoxia(H ef ei Institute of Central CoalM ining R esearch Institute)ABSTRACTU ltra2high molecular weight polyethylene?short glass fib

13、re(UHMW PE?SGF)compos2ite are prepared w ith m illing and molding.Tensile properties,impact strength,fracturemorphology and fracture ways of the composite are studied.The results show UHMW PEhas obviously yield deformation and plastic flow,tensile strength of the composite increasesw ith increasing

14、of SGF contents and impact strength of the compostie decreasesw ith increas2ing of SGF contents.There are two ways of fracture for tensile and impact of the com2posties.Tensile fracture issecondary fractureand impact fracture istear fracture.KeywordsUHMW PE composite,tensile fracture,impact fracture27高分子材料科学与工程1997年