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

1、V o l . 13高分子材料科学与工程N o 141997年7月POL Y M ER I C M A T ER I AL S SC IEN CE AND EN G I N EER I N G Jul. 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(U HMW 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U HMW PE 和塑性流动, 复合材料拉伸强度

2、随玻璃纤维含量增加而变大, ; 拉伸和缺口冲击断裂是以两种不同方式进行的, 拉伸是关键词超高分子量聚乙烯, , 、耐磨耗、自润滑和耐低温特性的工程塑料。, 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U HMW 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70GPa 的超高分子量PE , 是这方面工作的代表。类似的挤出、拉伸研究目前仍然很多。但是, 有关U HMW PE 复合材料的研究却很少涉及。热塑性

3、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U HMW 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U HMW 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U HMW 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56mm , 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GB 1040-79在电子万能材料试验机DCS 25000上:1995-06-03进

4、行。冲击强度测试按标准GB 1843-80在U J 24Izod 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X 2650扫描电镜上观察断口形态, 并照相。加速电压为25kV 。F ig . 1Stressstra i n curve of UH MW PE 2结果与讨论2. 1复合材料力学性能按1. 2节的标准测试, U HMW PE 的力学性能为拉伸强度:236kg c m 2, 冲击强度:未拉断, 弹性模量:46. 88kgf c m 2, 伸长率:679.2%。F ig . 1为其拉伸曲线。由此可以看出,U HMW PE 具有极高的冲击性能,

5、 拉伸时有明显的屈服变形和塑性流动。处于T g 以下的非晶态高分子, 或在T m 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, 。一U 片晶之间滑移的影响, 5. MW PE SGF co m positesU HMW ( 2 I mpact strength ( 2 E lastic modulus ( 2 E longati on (% 100 103128. 993. 9814100 204238. 794. 2011100 304497. 092. 169. 6F ig . 2Stress stra i n curves of UH MW PE SGF co mpos

6、 -itesU HMW PE SGF 1:10010; 2:100 20; 3:100 30. T ab . 1为U HMW PE SGF 复合材料的力学性能, F ig . 2为其拉伸曲线。从T ab . 1和F ig .2中可以看出, 经过玻璃纤维复合的U HMW 2PE 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U HMW PE 片晶和类串晶的滑移所致。2. 2复合材料断裂形态F ig . 3(a 、F

7、ig . 3(b 和F ig . 4(a 、F ig . 4(b 为U HMW 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; F ig . 5(a 、F ig . 5(b 和F ig . 6(a 、F ig . 6(b 为复合材料冲击断口电镜照片。(a (b F ig . 3Scann i ng electron m icrograph of ten sile fractureof UH MW PESGF (100 20 co mposite (a (bF ig . 4Scann i ng electron m icrograph of ten sile frac

8、ture of UH MW PE SGF (100 30 co mposite (b F ig . 5Scann i ng m icrograph of i m pact frac -ture (notch of UH MW PE SGF (10020 co m -posite (a (b F ig . 6Scann i ng electron m icrograph of i m pact frac -ture (notch of UH MW PE SGF (100 30 co m -posite从电镜照片中可以看出, 复合材料拉伸和冲击断口具有两种明显不同的形貌。从F ig . 3和F i

9、g . 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F ig . 5和F ig . 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1Perk in W G . Po rter R S . J

10、. M ater . Sci . , 1977, 12:23552Sm ith P , L em stra P J . J . M ater . Sci . , 1980, 15:5053B igg D M , Ep stein M M , F i o renti m e R J , et al. J . A pp l . Po lym . Sci . , 1981, 26:3954W ard IM . J . M ater . Sci. , 1974, 9:11935史铁军(Sh i T iejun , 冯建平(Feng J ianp ing , 谭晓霞(T an X iaoxia . 高分

11、子材料科学与工程(Po ly 2m eric M aterials Science &Engineering , 1997, (1 :1146吕锡慈(L u X ici . 高分子材料强度与破坏(Strength and F racture of Po lym er M aterials . 四川教育出版社(Sichuan Educati on P ress , 1988:292, 294M ECHAN I CAL PROPERT IES AND FRACTURE MORPHOLOG YOF UL TRA -H IGH MOL ECULAR W E IGHT POLY ETHYL EN

12、ESHORT G LASS F IBRE COM POST IESSh i T iejun(Colleg e of Che m ica l E ng ineering , H ef ei U n iversity of T echnology , H ef ei Feng J ianp ing (S tructu re R esea rch L abora tory , U n iversity of S cience and T echnology of Ch ina , H ef ei T an X iaox ia(H ef ei Institu te of Cen tra l Coa l

13、 M in ing R esea rch Institu te ABSTRACTU ltra 2h igh m o lecu lar w eigh t po lyethylene sho rt fib re ( SGF com po s 2ite are p rep ared w ith m illing and m o lding . T en p i , fractu re m o rp ho logy and fractu re w ays of the lts show U HMW PE has obvi ou sly yield defo r m p strength of the com po site increases w ith i m act strength of the com po stie decreases w ith increas 2ing of SGF ts . are tw o w ays of f