（固体力学专业论文）非金属矿物填料FSMF填充树脂复合材料的增强增韧研究.pdf

武援理工大学硕士学位论文 攘要 强度和韧性是复合材料的两个主要力学性能，改善树腊基复合材料的 强度和韧性一直是材辩科学研究的重要课题。 奉文对菲金属矿物填料填充树脂复台材 l 李增强增韧的国内外研究现 状进行了较全面的评述；在理论和实验的基础t ，研究了f s m f 填充树艏 复台榜料增强增韧机理；进行了f s m f 填充树脂浇铸体的有关力学性能测 试，获得了f s m f 填充树脂浇铸体的有关力学性能与f s m f 含量的关系： 利用解析法和c m m 法，估算了f s m f 粉体的弹性模置；最后探讨了f s i v l f 在玻璃钢夹砂管道中的应用。 取得了如下成果： ( 1 ) 研究了f s m f 填充树月复合材料的增强增韧机理。在f s m f 填 充树脂复合材料中，载荷是出f s m f 颗粒和树脂基体共同承担的，f s m f 颗粒以机械约束方式限制村脂基体变形，从而产生强化；f s m f 颗粒可以 l 发镊纹和剪切带等损伤消耗应变能，并通过钝化和钉扎机制阻碍裂纹的 扩展，从丽产生增韧。同时得出f s m f 颗粒与树脂基体界丽上的粘结性能、 f s m f 颗粒的太小和f s m f 颗粒的形状等是影响f s m f 填充树脂复合材料 增强增韧的重要因素。要获得好的增强增韧效果，填料颗粒与树脂基体界 血上应有好的粘结性能：颗粒粒径应小且填料粉体中粒状、片状和纤维状 的组分斑适当。 ( 2 ) 进行了f s m f 填充树脂浇铸体静拉伸、弯越和冲击韧性实验。 结果表明：f s m f 显著提高树脂浇铸体的弯曲模量，但降低拉伸强度 在 合适的填辩含量( 本实验中为3 0 ) 下，f s m f 可提高楗艚浇铸体的拉 抻模量和弯曲强度；在合适的填料含量( 本实验中为2 0 0 一3 0 ) 下，f s m f 可起到增韧效果，改善村脂浇铸体的断裂韧性。所以在适当的应用场台t 选择合适的掺加量填辩f s m f 可起较好的增强增韧作罐。 武汉理工大学鞭士学位论文 ( 3 ) 估算了f s m f 粉体的弹性模量。剥用解析法和c m m 法分别估 算了f s m f 粉体的弹性模量，为评价和应用该矿物复合填料提供了有价值 的参考依据。 ( 4 ) 据讨了f s m f 在玻璃钢夹砂管道中的成用。提出了应用设憨并 进行了实验研究，结果表明；在树艚中加入3 0 昀f s m f ，可提高夹砂屡 的弯曲强废、弯曲模量、刚度和韧性；在树脂中加入2 5 , - 3 0 的f s m f ， 可提高缠绕层的轴向拉伸强度、刚度、硬度和耐磨性，降低成率。所以在 玻璃钢夹砂管遴的缠绕层和夹砂层中加入适量的矿物复台填料f s m f ，可 以改善玻璃钢夹砂管的力学性能，同时降低成本a 主题词：非金属矿物填料增强增韧有效弹性模量 玻璃钢夹砂管道 珏 武汉理t 太学硕士学位论文 a b s t r a c t s t r e n g t ha n dt o u g h n e s sa r et w om a i nm e c h a n i c sp r o p e r t i e st ot h e c o m p o s i t em a t er i a l s i m p r o v et h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so ft h er e s i n m a t r i xc o m p o s i t em a t e r i a l si sa l w a y st h ei m p o r t a n ts u b j e c to fm a t e d a l s c i e n c e sr e s e a r c h af u - s c a l er e v i e wo ft h en o n m e t a im i n e r a if i l l e rt ol m p r o v et h e s t r e n g t ha n dt o u g h n e s so ft h er e s i nm a t r i xm a t e r i a l si nt h ed o m e s t i c a n do v e r s e a si sp r e s e n t e d b a s e do nt h et h e o r ya n de x p e r i m e n t t h e m e c h a n i s mo ft h ef s m ff i l l e rt ob u i l du pt h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s si n t h er e s i nm a t r i xc o m p o s i t em a t e r i a l si ss t u d i e d ；t h er e l a t i o no ft h e m e c h a n i c a lp r o p e d yo ft h er e s i nc a s ta n dt h ec o n t e n to ft h ef s m fj s o b t a i n e d ：t h ee l a s t i c i t ym o d u l u so ft h ef s m fp o w d e ri se s t i m a t e db y a n a l y s i sm e t h o da n dc m mm e t h o d ；i nt h ee n d 。f s m fu s e dl nr p m pj s d i s c u s s e d f o l l o wr e s u l t se r eo b t a i n e d ( 1 ) t h em e c h a n i s mo ft h ef s m ff i l l e rt ob u i l du pt h es t r e n g t ha n d t o u g h n e s si nt h er e s i nm a t r i xc o m p o s i t em a t e r i a l si ss t u d i e d i nt h er e s i nm a t r i xc o m p o s i t em a t e d a t sf i l l e dw i t hf s m ft h el o a di s u n d er t a k e nb yt h eg r a i no ff s m fa n dt h er e s i nm a t r i x t h eg r a i no f f s m fr e s t r i c t st h ed e f o r m a t i o no ft h er e s i nm a t r i x ，s ot h es t r e n g t hi s i m p r o v e d f u r h e r m o r et h eg r a i no ff s m fc a nc o n s u m et h ee n e r g yo f s t r a i na n dc o n t r o l st h ec r a c ke x p a n d ，s ob u i l du pt o u g h n e s s t h ef a c t o r sw h i c he f f e c tt h ef s m ff i l l e rt ob u i l du ps t r e n g t ha n d t o u g h n e s si nt h er e s i nm a t r i xc o m p o s i t em a t e r i a l si n c l u d et h es i z ea n d t h es h a p eo ff s m fg r a i n 、t h eg l u ep e r f o r m a n c eo nt h e n t e r f a c eo fr e s i n m a t r i xa n dt h eg r a i no ff s m fi no r d e rt oo b t a i nw e l le f f e go nt h e i m p r o v et h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s s 。t h ei n t e r f a c eo nt h eg r a i na n dt h e l n 武援理工大学母l 士学位论文 r e s i nm a t d xs h o u l dh a v eag o o dg l u ep e r f o r m a n c e ：t h ed i a m e t e ro ft h e g r a i ns h o u l db es m a l la n dt h es h a p ec o m p o n e n to fg r a i n 、p a t c ha n d f i b e rs h o u l db es u i t a b i l l t y ( 2 ) t h et e n s i l e 、b e n da n di m p a c td u c t i l i t ye x p e r i m e n to ft h er e s i n c a s tw i t hf s m ff i l l e ra r ee m p l o y e d t h er e s u i t ss h o wt h a tf s m fc a ni m p r o v et h eb e n dm o d u l u so ft h e r e s i nc a s tc l e a r l y , b u tr e d u c et h et e n s i l es t r e n g t h i nt h es u i t a b l ec o n t e n t o ff i l l e r ( n o tm o r et h a n3 0 i nt h i se x p e r i m e n t ) ，f s m fc a rj m p r o v et h e t e n s i l em o d u l u sa n db e n ds t r e n g t h i nt h es u i t a b l ec o n t e n to ff i l e r ( 2 0 一3 0 i nt h i se x p e r i m e n t ) ，f s m fc a ni m p r o v et h et o u g h n e s so ft h e r e s i nc a s ts oi nt h es u i r a b l es i t u a t i o na n du s eas u i t a b l ec o n t e n t 。f s m f f i l l e rh a v eag o o de 仟e g lt oi m p r o v et h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s s f 3 ) t h ee l a s t i c i t ym o d u l u so ft h ef s m fp o w d e ri se s t i m a t e d t h e a n a l y s i sm e t h o da n dc m mm e t h o da r eu s e dt oe s t i m a t et h ee l a s t i c i t y m o d u l u so ft h ef s m fp o w d e r t h a to f f e r sav a l u a b l er e f e r e n c et o e v a l u a t ea n da p p l yt h em i n e r a lc o m p o s i t ef i l l e r ( 4 ) t h ef s m fu s e di nr p m pi sd i s c u s s e d t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n ta r ea sf o l l o w s ：t h eb e n ds t r e n g t h 、b e n dm o d u l u s 、s t i f f n e s s a n dt o u g h n e s so ft h em o r t a rl a y e rw i l lb ei m p r o v e dw h e na d d3 0 f s m fi or e s i nt h ea x i s e n s i l es t r e n g t h 、s t i f f n e s s 、h a r d n e s sa n d w e a r e s s n e s so fw i n d i n gl a y e rw i l lb ei m p r o v e dw h e na d d2 5 “3 0 f s m ft or e s i ns oa d d e dt h ef s m ft om o d a rl a y e ra n dw i n d i n gi a y e ro f t h er p m pw i l li m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dl o w e rt h ec o s t k e yw o r d s ：n o n m e t a l m i n e r a lf i l l e r ；b u i l du ps t r e n g t ha n d t o u g h n e s s ；e f f e c t i v ee l a s t i c i t ym o d u l u s ；g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c m o r t a rp i p e ( r p m p ) 武汝理工太学硕十学也论文 第一章绪论 1 i 概述 采用非金属矿物作为树脂基复合材料的填料，分析其组合机理和作 用，以改善树艚基复合材料的各种性能，具鸯重要工程应用意义。 1 1 1 填料概述 1 1 1 1 填料的作用 ( 1 ) 填充或增强作用 一般填料在树脂基复合材料中的主要作用是降低基体的成本，多为粉 粒状：增强材料除增强基体的强度、刚度、硬度外，有的也可降低成本， 多为纤维状。但有时壤料与增强材辩之闻难以严格区分+ 例妊微片状或短 纤维状就兼具填充及增强作用。 ( 2 ) 功能改性作用 斌料分散在某些末才料中，能改进该材料的机械性能、加工性能、电性 能、热性能雌及光学性能等等，使复合辣辩其有某种功能特性，所以填料 还具有功能改性作用。 1 1 i 2 填料的分类 填料的种类繁多，按化学组成可分为有机和无机填料；按来源可分为 合成和天然填料；按外形可分为粒状、片状、纤维状及中空微珠状填料a 1 i 1 3 非金属矿物填料 非台属矿物填料属天然无机填料。在我圜，非金属矿物种类繁多，但 由于各种原因，真正大量应用的非金属矿物填料种类并不多，现常用的有 碳酸钙、滑石、石英粉、云母、离岭、磕敷石粉、氢氧化镁和氢氧化锅 等。非金属矿物填辩价格低廉、性a 独特、改性效果显著，应用潜力巨大， 可以预见：随着非金属矿工业的发展，以及复合材料学科研究的深入，非 金属矿物填料的应用必将日趋迅猛。 武汉理工夫学觚士学位论文 1 1 2 非金属矿物填料填充树脂复合材料 犟一树脂材辩可以满足某些应用，但往往难以满足科学研究和生产、 生活实际综合要求。现有树脂材料在强度、刚度、韧度以及光、声、电、 热等性能方面远不能满足科学技术的要求，为r 赋予树脂某些新的功能 从1 9 3 2 年第一个热同性酣醛树脂玻璃钢问世以来的几十年中，已逐步摆 脱靠经验研制新材料的轨道，采用两种或两种以上不同物理、亿学性质的 材料组合而成具有特定性能的复台材料，复合材料或树脂中的第二相在亚 微观或微观上的不均匀分散，常常能在一些性能上产生惊人的改进。在复 台丰j 辩中，其中湘起增强作羽，另一相对增强材料起粘结作用，所形成 的复台材料各组分保持原物质的同“+ 性，又能通过复合材料中各组分的性 能互补，获得原育单一组分材料不具各的优异性能。 非金属矿物填料填充树脂复合材料就是以有机合成树脂为基体，以非 金属矿物粉体为填充剂( 或增强裁) 复台而成的一类高分子材料。 当前在材料科学领域，认为所有材料可概括分为结构材料和功能材料 两大类，树脂基复合材料亦不例外，作为结构材料，强调的是其优良的力 学性能，如高拉伸强度、商弯蟪强度、高冲击强度、高剪切强度、高弹性 模量等等：作为功能材辩，通常在保证一定的力学性能水平基础土，更着 重某种功能特性如导电性、压电性、热电性、耐腐蚀性、感光性、耐燃 性、密封性等等”。 非金属矿物填料填充树脂复合车孝料作为结构材辩已相当普遍和较为 成熟，近年来其功能材料特性更为引人注目。 1 2 非金属矿物填料填充树脂复合材料的 增强增韧硒究进展 1 2 1 引言 无埝是将非金属矿物填料填充挺脂复合材辩作为一种结构材料应用， 还是作为功能材料应用，力学性能是其最基本的属性，是酋先必须研究的 性能之。强度和韧性是复台材料的两个主要力学性能，改善树脂基复合 材料的强度和韧性一直是材料科学研究的重要课题。 武溲理工大学硕士学位论文 国内外近年来的研究表明：非金属矿物填料可以增强增韧所填充豹基 体材料。 。2 2 研究进展综述 ( ”片状和纤维状矿物填料增强效果较好 夫量实验表明：不同形状填料填充的塑辩制品其力学强度一般是纤 维状 片状 柱状 立方体 圆球形，即长径比越大，力学强度越高“1 。星片 状的滑石粉可咀提高所填充基体材料的剐性：另外云母经于法或湿法粉碎 后的晶形呈片状，且其径厚比较大，如能在填充塑料加工时保持其较高径 厚比，则填充塑料的增强效果将十分显著”1 ：还有硅扶石晶形量针状结构， 经适当的耪抒王麓，其颢粒t 钧长径拢可达1 5 ：1 以上。如栗在粉碎对硅灰 石的针状结构不被破坏，它作为填料在塑料中能显著提高拉伸强度和弯曲 强度，在玻璃纤维增强塑料中甚至能代替价格较贵的玻纤。1 。 ( 2 ) 细化和超细化的矿物填料增强效果较好 在制作高密度聚乙烯钙塑片材时，使用不同粒径的碳酸钙为填料，添 加量为4 0 p h r ，粗粒径的碳酸钙( 3 2 5 晷) 填充的钙塑片材冲击强度低于 未填充的高密度聚乙烯片材，刚性的增加也不明显，而当碳酸钙的粒经分 别达到8 0 0 目和1 2 5 0 目时，钙塑片材的韧性和别性都显著离于基料。这 表明要得到较好的材糕力学性能，填料颗粒的粒径必须小到一定程度。 f 3 ) 经表面改性的矿物填料增强效果显著 填料表面经不曦方法的改性，据高了与基体树脂的界面粘接强度，其 结果不但对材料的力学性能有显著的改善，而且对其他的物理和加工工艺 性能也有较好的改善。所以对填料表面进行处理是改善复合材料性能的一 种很重要的手段。 粉粒状填料采用偶联剂进行表面改性已在工业中获得广泛应用，常用 的偶联荆类型有硅烷类、钛酸酯类、铝酸酯类等。大量报道表明，对于滑 石粉聚酯体系、高岭土尼龙体系、硅灰石聚丙烯体系、c a c o 。p v c 体系、 c a c 魄p e 体系、漂琳聚醅体系等等，偶联处理对这些复合材料的力学性 能均有明显改善效果”1 。 粉粒填料表面等离予体改性法是一种新的方法。目前应用尚不多但 很有发展前途，有报道表明：c a c o 。耪粒表面经苯乙烯和环己烯等离子体 武汉理工大学硕十学位论文 处理后，c a c o 一p p 复合材料的拉伸强度、延伸率和熔融指数均有所改善“。 表面包覆改性也是粉粒填料表面改性的新趋势。表面包覆改性效果可 举聚氨酯包覆硅灰石填充p p 及填充p v c 为例，实验结果表明：硅灰石p p 复合材料和硅灰石p v c 复合材料的缺口冲击强度、弯曲强度和拉伸强度 均有提高”“。 ( 4 ) 无机粒子增韧塑料 塑料增韧是高分子材料科学研究的重点课题之一，早期研究的主要方 法是将橡胶娄弹性体以适当方式分散于塑料基体中，以达到增韧的目的， 但弹性体增韧在提高塑料韧一 生的同时，材料强度、刚度、模量和耐热性却 大幅下降。1 9 8 4 年，日本学者井上隆等”“在研究p c a b s 、p c a s 体系时， 提卅有 t n 盹粒子增韧的新概念，被认为是刚性粒子增韧思想的起源。随 后，用量大、价廉并能赋于材料各种独特性能的无机粒子增韧立即引起了 人们极大的兴趣，p u k a n s z k y 1 j a n o a r “”等从1 9 8 4 年以来在填充材料的脆 韧转变研究方面做了大量工作，国内漆宗能研究小组“”从1 9 8 7 年起在 增韧机理、力学分析、界面效应等方面进行了较深入研究，使我国在该领 域某些方面处于世界先进水平。近几年来，无机粒子增韧高分子的研究己 成为材料科学的热点。 ( 5 ) 纳米级矿物填料增强增韧效果显著 纳米级填料的开发和利用无疑是增加填料附加值，突出填料功能性的 一个新的主要发展方向。当填料颗粒进入纳米尺寸时，就会具有小尺寸效 应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等特点，从而使微观结 构非常特殊，表现出奇异的物理化学性能，具有优异的光、力、电、热、 磁、放射、吸收、敏感、催化等特殊功能。现在一些超微级和纳米级填料 已被开始用于开发高性能复合材料和功能性复台材料”1 ，例如m a s a o s u m - i t o 采用直接分散法系统地研究、对比了纳米级粒予、微米级粒子填 危l d p e 、p p 、p v c 的效果，结果表明，纳米级粒子对上述聚合物具有明显 的增强、增韧效果”4 4 “。黄锐等研究了纳米粒子对l d p e 的增强增韧效果， 结果表明效果显著，在纳米粒子含量为5 时，复合材料的冲击强度为纯 l d p e 的2 倍达到5 3 7 k j 吖，伸长率达到6 2 5 仍未断裂”。邓厚礼用粒 径为0 1 0 0 4 a m 的c a c o ，作为橡胶补强剂，主要指标均达到或超过半补 强炭黑，可取代白炭黑、立德粉，具有良好的经济效益“。 武汉理工太学碗士学位论文 1 2 3 小结 在t 述的研究中，涉及h 矿物填料粉体的几何形状、大小分布、表面 改性、纳米技术、界面丁程等方面的问题，从中可看出：目前被广泛应用 的矿物填料品种不多：填料粉体几何形态较单一；对填料表面改性机理和 高分子基体界面形态方面的研究不深入：对矿物填料粉休增强增韧的机理 以及应用研究不系统等等。所以，在复合树料产业飞速发展的今天，深入 地研究与开发“有机与无机”的复合技术与理论已是当务之急。它有待 于人们去揭开复合体系中各类物质界面关系的奥秘；深入地研究有机与无 机善物质之间的性质及功能的互补规律；开发更多的无机分散相物质的尺 寸细化及活化改造技术；创新出适台于“有机与无机”这类新型复合材料 加工的新工艺，从而设计出更新、更优异的新型材料，以促进复合材料产 业向更高层次发展。 1 3 课题背景、目的及意义 本课题的动机是基于“在玻璃钢夹砂管道的成型过程中加入非金属矿 物填料”的基本想法。其实，在玻璃钢夹砂管道中大量采用填料的做法始 于8 0 年代，其代表是挪威v e r o c 公司，他们的实践证明：在树脂中加入 3 0 一4 0 非金属矿物填料，对于改善管道的某魑力学性能，降低材料成本 都非常有效。尤其是砂子层中填料作为砂予间的填充，其效果更加突出。 新型矿物复合填秘f s , i f ( 篱称f s m f ) 是新近开发的一种新型矿物复台填 料。它具有良好的补强、耐酸碱、耐磨和耐热等功能，现已在玻璃钢、特 种耐磨涂料、耐热增强尼龙6 6 以及专用纸页中广泛应用。那么，可否将 这种新型矿物复台填料f s m f 应用于玻璃钢夹砂管道中用来改善力学性能 _ 翩降低或本昵? 这还有待于科学的验证，本课琏旨在为这一设想提供基础 性研究依据，同时本课题也可为评价、应用和推广该新型矿物复合填料 f s m f 提供理论依据和实验数据。 显然，本课题的研究无论对于无机矿物壤料领域；还是对于“有机与 无执”的复合材料领域；还是对于玻璃钢央抄管道领域，郡具有重要意义。 武汉理工大学碗士学位论立 1 4 论文的研究蟊标和内容 1 4 研究盈耪； ( 1 ) 研究f 锚f 填充籁f 耩复台材料的增强增韧机理。 ( 2 ) 蔹褥f s , t f 填充楗脂浇铸体的有关力学性能与隅的含量闻的 关系。 ( 3 ) 估算f 黜f 稚体的弹性楼量。 ( 4 ) 探讨f s m f 在玻璃镏夹砂管道中的成翅。 1 。4 2 研究内密 ( 1 ) 根据颗粒树脂复合材料的增强增韧机理，缝合f s m f 的特性， 研究f s m f 填充树虢复合材料的增强增韧机理。 ( 2 ) 通过f s m f 填充树月目浇铸体的拉伸、弯曲和冲击性能测试，获得 f s y i f 填充树脂浇铸体的力学性能与f s m fl f q 禽量闻的关系。 ( 3 ) 建立合理的力学模型通过辫析法和翻越洼，估算f s m f 粉体的 弹性模嚣。 ( 4 ) 通过f s , w 填充夹看英砂楗脂浇铸体的弯曲性能实验，探讨f s w 在玻璃钢夹砂管道中的应用。 一茎墨型三_ 丈堂堡主! 堡建兰 一 第二章f s m f 填充树脂复合材料的 增强增韧枕理研究 2 。 非金属矿物复合填料f s m f 2 。1 1f s m f 的物理、化学特征 f s m f 的物化特性见表2 - 1 ”。 矿蚴墟料鲁张复台填料f s m f 矿耪共型硅艘镁纤维蓝台讳 化学掘戒s i 氇2 5 s 4 唧1 3 - 2 4 c a o1 1 一2 0 f e _ - c h ( i 填辩结构厦组合纤维状5 0 , - 7 0 9 片状1 0 一2 鳓 粒状2 0 一2 5 5 长轻比1 ：( 5 - 8 ) 填斟物壤特征矿辫鬻度2 4 - 2 6 9 t c f f 赣体密度1 3 - 1 7 9 c 一 硬度50 - 60 ( 莫氏) 光泽玻璃光泽 飘色莸出一由 自度8 5 _ 9 雌 吸袖值l 】。2 2 9 l g 附着水吸附率0 0 1 8 + 0 + 2 2 酸蚀率( h c il 蕊，2 0 h ) 8 器一1 鲥 碱蚀率( n a o h2 0 5 ，2 4 h ) 0 2 9 6 0 4 5 p 擅75 - 8 折光指教i6 0 - 16 3 粉休规格徽糟级( 3 2 5 日) ， 武汉理工大学硕上学位论文 f s 船的显微程镜霭，见图2 - 1 图2 - i 矿物复台填科f s m f 电镜蹦 2 1 2f s m f 的结构特征 f s m f 属硅酸盐类高镁矿物，它是由二条硅氧四面体单链对称平行组 成，为取链结构。在其晶体结构中有n 个( 0 b f 、o h + ) 活性基团及各种不同 电旖的金属阳离子位于活性氧及负离子团组成的八面体空隙之中( 见圈 2 2 ) 矿物在加工改造中通过不同的化学、物理改性手段，保持了晶体纤 维特掘汲结构中的活性基团井暴露出各不同电价斡金属阳离子，阻创造 与有机高分子材料产生氧键、离子键及未公用电子对结台的条件。3 。 摹 协口岫om t 图2 - 2f s m f 晶纤结构示意图 汁：m 。胛m半径转小的阳离子位置th “一半径较大构阳离子位簧 a 一半径摄大舶玳离子位置 8 武汉理工大学碗士学位论文 2 1 3 小结 f s m f 由于是由多种具有不同特性的矿物复台丽成，所以它除了保持 各种矿物自身韵特性外，还会产生一定的协剜效应+ 即具有复合特性“。 2 。2 颗粒树脂复合材料的增强增韧机理 2 2 1 弓l 言 通过上节有关f s m f 的性能简介可看出：f s m f 属硅酸盐娄高镁矿物， 其粉体中纤维状占5 0 7 0 。片状占1 0 0 一2 0 ，粒状占2 0 - - 2 5 ，华 均长径比为1 ：( 5 8 ) + 接近于1 ，教可用颗树搪脂复合材料盼增强增韧 祝理来解释f s m f 填充树脂复合材料的增强增韧。 2 2 2 颗粒瓣滕复合材料的增强机理 2 2 2 1 增强机理 我们知道：在纤维增强树脂中，纤维是主要的承载组分。俚在颗粒增 强树脂中，载荷是出基体和颓粒共同承担的，此时，若颗粒比罄体更硬( e p 摸量太时) ，颗粒将以其坚硬的界蕊限制基体的变形产生应力水平较高 的液体静压力，随藿外载荷的增加，这种压力也增大，可达判未受约束基 体屈服强度的3 3 5 倍，一直颗粒开裂并导致綦体发生断裂，复台材料 破坏| 。所以在颗粞拷魔复合材料中，颗粒燕以机械约柬的方式限制基 体变形，从而产生强亿。 颗粒增强的效果可阻用增强率f 来衡量： 增强牡翁糕燃 显然，对颗粒，树脂复合材料瓶言t 增强率f 是颗粒直径d p ：颗粒问 9 武汉理工大学硕士学位论文 距d p ：颗粒的体积分数v g ；颗粒的分布、基体性能以及颗粒与基体的牯 结强度的函数。 2 2 2 2 颗粒席尊脂复台材料强度的增强盼”1 1 9 7 6 年j l e i d n e r 和r t w o o d h a m s 用聚酯树脂为基体，玻璃微 辣为增强颗粒，对复合材料的强度进行实验测定及理论计算，得出了含填 料颗粒的复台材料强度的关系式，认为填斟颗粒与基体粘结的好坏是影响 颗粒，树脂复合材料强度的重要因素。 ( 1 ) 颗粒与基体无牯结( 即颗粒表面不处理) 如果颗粒与基体之间无粘结，则完全依靠二者之问的摩擦力传 递应力。此时复台材孝萼瓣强度6 。为： 6 。一6 6m - - 0 8 3 p a v p + k6m u ( 1 _ v p )( 2 - 1 ) 其中6 ，一填辩所承受的应力 6 。基体所承受的应力， p _ 壤体作用在填料颗粒上的正压力 a 基体与填料颗粒之间的摩擦系数 k 出于填料豹加入而使基体产生强度降低的系数。这 里认为填料的作用是符合材料本身有微裂纹等缺 陷的理论 l k = a + b d p2 ，( a 、b 是系数，d p 是颗粒赢径) 6 。，广整体的最大应力 v r 一颗粒填料的体积分数 分析( 2 一1 ) ，可以看出： a ：材料的强度6 。遥填辩颗粒体积分数v p 的线性函数。 b ：当v p 为一定值时，材料的强度睫填料直径的增大而 降低( 通过k 的降低丽影响6 。) c ：在颗粒填料基体界面无粘结时，可透过增加二者的摩 擦系数a 与二者之闻的正压力( 界面压力) p 来提高材 料的强度。 ( 2 ) 颗粒与基体宥粘结( 印颗粒表面处理) 基体与颗粒间有粘结时，从基体到填料的应力传递是通过剪应 力和界面投伸应力实现的。 武汉理王丈学硬士学位论文 i ：此时如果填料体积分数高，那么材料的强度6 。为 6c u = 6 6 , i - - ( 6a + 0 8 3r 。) v 一6 。s ( 1 - v 。) ( 2 2 ) 其中6r 填料所承受的应力 6 。基体所承受的应力 5i 界面粘缝强度在拉伸方向所能传递的最大拉应力 r ，b _ 界面剪切强度( 般假设其等于基体剪切强度) s 惠力集中系数。与颗粒盼粒经大小成反比。 分析( 2 2 ) ，可以看出： a 。界面粘结强度对复合材拳季强度影噙很丈 b ：填料颗粒的粒径大小对复合材料强度也有相当影响 n ：此时如果填料体积分数低，那幺过少的壤辩反而易使基体受附加 载荷作用产生应力集中引起界面破坏，材料强度与无粘结状态相 似，见式( 2 - - 1 ) ( 3 ) 小结： l e i d n e t 等人灼实验结果为：填料与基体蠢精结时颗粒的平均应力只 有8 8 m p a ，而填料与基体有粘结时颗粒的平均应力有7 2 m p a 。显然从上 述的蜜验结果和理论分析可知，填料与基体粘结的好坏是影响颗粒，树艏 复合材辩强度鲍重要因素。当壤料与基体无粘结时，材料强度低，且随颗 粒蛊径的增大而降低，增加正压力可以改善强度。填科与基体有粘结时有 二种情况：当填料体积分数很小时，情况类似于无粘结状态：当填料的体 积分数较大对，材料强度取决予界面粘结强度和基体剪切强度。 实簖中麴填料颗粒具有复杂的凡何形状，其大小也不相等，这就绘 理论分析带来了极大的困难。到目前为止，大多数的研究基本上是凭经验 定性的，但这些理论分析对于预测颗粒增强塑料的力学性能和求得最佳强 度是有帮助的。 2 2 2 3 颗粒，树脂复合材料模蠡的增强 颗粒的束缚作耀能限制基体的运动和变形，所以，从材料整体上蓊+ 颗粒能使树脂变刚。但由于颗粒的束缚作用的程度与颗粒性能、颗粒间隙 以及蒸体性s 等均有关，所以颗粒对复台材料模量的定量影响也非常复 杂。 斌攫理工大学顼士学位论文 2 2 3 颗粒树脂复台材料的增韧枧理 韧性是高分子材料至燕重要的力学性能擐标。过去已在橡胶粒予增 韧方面取得了巨大成功。橡胶粒子的加入明显改善了材料羽韧性，但同时 也降低了材料的刚度与强度。 大量的实验数据表明：刚性粒子填充树脂后，具有明显的增韧效果。 一般认为刚性粒子的加入所产生的增韧效廒，主要来自两方面：一方面是 粒子引发的损伤消耗了丈量的应变能( 即损伤消耗应变能理论) ；另一方 面是粒子在基体中阻滞裂纹豹扩展( 即粒予阻滞裂纹扩展埋沧) 。 2 。2 3 1 损伤消耗应变能理论 粒子的存在，使其周围綦体内的应力场变得微不均匀，于是就为引 茨各种消耗应变能的损伤( b b 如基体和粒予的交形# 银纹与开裂；孔洞的 形成与长大：界厕脱粘等) 准备了条件，其碍= i 剪切带与银纹是最有效的耗 能机制。 实验表明：当界西粘结报弱薅，在极隧位置上首先萌生脱粘；而对于 界面粘结狠强的材料，在极区位置上首先萌生镊绞。颗粒周围萌生细观损 伤的示意图，见隔2 - 3 。 圈2 3 颗粒周围萌生细观损伤的示意鞠 ( ) 锻纹( b ) 剪铆带 2 2 。3 2 粒子阻滞裂纹扩展理论 粒子在基体中阻滞裂纹扩蔗的效应，一般认为是遥过以下两种机制采 实现的。 ( 1 ) 钝化机制：裂纹尖端因粒子周围的脱粘( 形成孔洞) 而钝化。 其示意图见圈2 - 4 。 o 武议理工太学硕士学位论立 图2 - 4 裂纹被脱粘后所形成的空洞钝化 ( 2 ) 钉乳机制：较刚硬的第二相粒子及其周围的强化效应僮裂纹难 以4 匝利通过。其示意图见图2 - 5 。 c 间 图2 5 裂纹被粒子钉藐 摄然具有良好界面糙结的月# 性粒子具有较离的“钉扎”效应。 2 3 3 3 小结 由上述研究可看出，刚性粒子可以引发银纹和剪切带等损伤，从而 消耗疵变能，并通过钝佬和钉扎枫制起到阻滞裂纹扩展的作用。因此用 刚性粒子填充，可以取得增韧效应。 2 2 4 影响黢粒树鹰复合耢料增强堪韧的主要匪豢 ( 1 ) 颗粒与树膜基体界面的鞋结性能 从上述l , e i d n e r 等人的实验结果和理论分析可知，填料颗粒与基体粘 结的好坏是影响颗粒树艟复合材料强度的重要嗣素。困此，要获得好的 增强增韧效果，必须嫌证颚粒与树脂基体界面良好的粘缩性能。实际中， 对填辩颗粒进行裘面物理或化学方法的改性处理，改变其表蕊形态、晶态、 丧面能、极性、表面化学组成以及除去表面弱边界层，调整到与基体树脂 的表面性能相匹配可提高颗粒与树脂界面的粘结性能。 ( 2 ) 颗粒形状 颗粒形状对颖粒树脂复合材料的增强增韧效粜影响也较丈。琢因是 颗粒形状不同，颗粒的最大填充率就不同，结果就会产生当物料体积相同 时密度不同，从而性能不同。比如最大填充率较大的颗粒填充基体茬， 使复合材料中空隙少，填料含量多，从而材料性能提高。成本降低。填辩 。 武汉理置大学硕士学位论文 形状大致可分为圆球状、粒状、片状、柱状、纤维状等。一般来说，纤维 状和片状填料对复合材料的机槭强度有利，但对加工性熊不利；圆球状填 料与此相反，可提高材料的成型加工性能，但降低材料的机械强度。所以 从机械强度和加工性能综合来看填料粉体中粒状、片状和纤维状等的组 份应适当。 ( 3 ) 颗粒大小 颗粒大小对颗粒树脂复合材料的增强增韧效果也有较大影响。原因 可能是由于粒度越细，粒子闯孔隙越小，则填料颗粒与离分子链间的相互 作用越强，增强增韧效果则越明显。一般，在初始粒子有效体积分数给定 的条件下，平均粒径小将有助于颗粒的增强效果。太壹径的辛盘子容易成为 斑力集中源，与其说是增强，不如说是使材料的力学性能变差，所以不宜 采用。通常颗粒的直径d p = l 一5 0 p r o 为宣o ”。 2 3f s 龄填充树脂复合材料的增强增韧枫理 根据上述颗粒搪胎复合材料的增强增韧机理，结台f s d f 的特性，对 于f s m f 填充树腊复合材料的增强增韧帆理可小结如下 ( 1 ) f s 肝是由纤维状、片状和牧状等不同种类盼矿物按比例合理的 复合配制并经改性处理而获得的功能性复合矿物填辩。 ( 2 ) 在f s m f 填充树脂复台材料中，载荷是由f s m f 填料颓粒和树脂 基体共同承担的，f s 肝填料颗粒以机械约柬的方式限制树脂基体变形， 从而产生强化。 ( 3 ) 在f s m f 填充树脂复合材料中，f s m f 填料颗粒可以引发银纹和 剪切带等损伤消耗应变能，并通过钝化和钉扎机制阻碍裂纹的扩展，从而 产生增韧。 ( 4 ) 颗粒形欹、颗粒大小以及颓粒与树脂基体界面粘结性能是影响 颗粒树脂复台材料增强增韧的重要因素。矿物填料f s m f 是矿石经过深加 工及改造后的微粉缓的粉体，粒径较小；同时填料粉体中粒状、片状和纤 维状的组份适当；另， 填料f s m f 经物理优学改性处理最。在不破坏纤维 态的情况下，暴露出带不同电价的金属阳离子团和( o f f 、。h + ) 活性基团， 它们可与不饱和树脂中的基团产生氢键离子键结合成“无机与有机”键赫 复合体系，使f s m f 颗粒与树腊基体界面的粘结性能大丈改善。所以f s m f 填料可增强增韧所填充的树脂基体。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章f s m f 填充树脂浇铸体的力学性能测试 3 1 前言 第二章从理论上探讨了f s m f 填充树脂复合材料的增强增韧机理，本 章将通过对f s m f 填充树脂浇铸体的拉伸、弯曲和冲击性能测试，研究f s m f 填充树脂后，对树脂浇铸体的力学性能的影响。 3 2 试验方法总则 本节将介绍试验中共同的有关原n - 3 2 1 原材料 ( 1 ) 1 9 6 4 不饱和聚脂树脂。 ( 2 ) 矿物复台填料f s m f - - 3 2 5 ( 数字表示填料的日数) 长春华盛有限公司提供 ( 3 ) 号腹痢卜椎抖瞄4 * 环烷酸钴苯乙烯溶液 ( 4 ) 儡i 料啦过氧化甲乙酮。 3 2 2 试样制作 ( 1 ) 、将填料f s m f 与不饱和聚脂树脂1 9 6 4 混合，充分均匀搅拌。( 为 保证f s m f 在树脂中的充分浸润和均匀，试样制作中采用均匀撒入。且一 边撒入一边电动搅拌) ( 2 ) 拉伸试件采用硫化硅橡胶模具直接浇铸：弯曲和冲击试样采用 金属模具直接浇铸。 ( 3 ) 试样经常温固化2 4 小时后，再6 0 ( 2 恒温处理4 小时。 武议理王太学硕士学位论文 3 2 3 试验条馋 ( 1 ) 试验玮境条件 温度( 2 3 2 ) 相对湿度( 5 0 _ 4 - 5 ) ( 2 ) 试样外j 盟祭体 试祥应平按、光滑、无气泡、光裂纹、无明显杂质和加工损伤 等缺陷，否则应予作废。 ( 3 ) 试群测量精度条件 试样尺寸小予和等于1 0 r a m 的，精确到0 0 2 m m ：大于1 0 m m 的，精确到0 0 5 r a m ， ( 4 ) 试群数目条件 每组有效试群不少于5 个。 3 2 4 试验结果 ( 1 ) 每个试样的性能值：x l ，x 2 ，猕。 ( 2 ) 算术平均值膏计算到三位有效数字。 f 街 z = 址 ( 3 - 1 ) n 式中： x r 一每个试样的性能值： n 试样数。 ( 3 ) 标准差s 计算到二位有效数字。 s = 式中符号网式( 3 - 1 ) 。 ( 4 ) 离散系数。计算到= 位有效数字。 ( 3 - 2 ) 辱 武汉理工大学硕士学位论文 c产荨s(3-3) 工 式中符号同式( 3 - 1 ) 、( 3 2 ) 。 3 3 拉伸性能试验 本节通过对试样施加静态拉伸载荷，溅定试样的拉 申强度、拉伸弹性 模量和断裂延伸率并绘制拉伸应力应变曲线圈。 3 。3 1 试样形状、尺寸 注：每组试样厚度公差为0 2 r a m ，单位m f l 圈3 - i 拉伸试撵图 3 3 2 试验设备 m t s8 1 0 材料试验机。 测定拉伸强度时，常规试验速度为2 1 0 m m m i m 测定拉伸弹性模量 和绘制载荷变形曲线时，取2m m m i n 。 1 7 武汉理工 学硕士学位论立 3 3 3 试验方法 试验方法参照g b t2 5 6 8 - - 1 9 9 5 3 3 。4 试验步骤 ( 1 ) 编号： 对试样进行外观检查，满足总则3 2 3 一( 2 ) 要求后，将试样编号。 ( 2 ) 测量试样的宽度和厚艘； 测量试样标距( 图3 - l 中5 0 _ + 0 5 段) 内任意3 处的宽度和厚度， 取算术平均值。测量精度见总则3 2 3 一( 3 ) 。 ( 3 ) 夹持试样，使试样的中心轴线与上、下央具的对称中心线一致。 按规定速度均匀连续加载，直至破坏，