環(huán)氧樹脂材料動(dòng)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(qiáng)度等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)的應(yīng)變率和溫度依賴性。基于分離式Hopkinson壓桿（SHPB）實(shí)驗(yàn)技術(shù)，人們已對(duì)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(duì)于霍普金森拉桿實(shí)驗(yàn)，由于啞鈴型試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的不確定性引起應(yīng)變率和應(yīng)變計(jì)算存在較大誤差。針對(duì)此問題，本文首先對(duì)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(chǎng)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)對(duì)試件動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，解決了傳統(tǒng)SHTB實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)量的不準(zhǔn)確性問題，隨后，采用改進(jìn)的SHTB實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以典型的熱固性高聚物環(huán)氧樹脂材料為研究對(duì)象開展了動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jiǎn)述如下：
　　

3、1）在分離式Hopkinson拉桿(SHTB)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)應(yīng)變測(cè)量新方法，同時(shí)搭建了同步觸發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了桿上應(yīng)變片電壓數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)試件變形圖像同步采集。采用新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成功獲得了尼龍和鋁合金材料的動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，驗(yàn)證了DIC全場(chǎng)應(yīng)變分析在SHTB實(shí)驗(yàn)中的有效性。DIC全場(chǎng)應(yīng)變分析得到的平均應(yīng)變與試件上應(yīng)變片測(cè)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(jì)算的平均

4、應(yīng)變則明顯偏大，需要對(duì)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(chǎng)應(yīng)變測(cè)量，討論了應(yīng)變均勻性問題，結(jié)果顯示：脆性的尼龍?jiān)嚰跇?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(yàn)機(jī)和改進(jìn)的SHTB實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)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(duì)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(duì)環(huán)氧樹脂的動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算中所用材料參數(shù)取自于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致；
　　4）對(duì)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(cè)，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(gè)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(shí)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