乙烯基酯树脂浇铸体的高应变率压缩响应行为

图3 准静态和高应变率下试样的应力 应变曲线 Fig. 3 Compressi ve st res s s t rain cu rves of V E at diff erent st rain rat es
组, 高应变率 5 组。为确保试验结果的准确性 , 每 一组应变率的试验至少进行 5 次, 取其中 3 个重复 性较好的试验结果的平均值作为试验结果。试验环 境温度为 16 ∀ 。 低应变率压缩试验在深圳瑞格尔有限公司生产 的 RGM 200A 型微机控制电子万能试验机上进行, 如图 1 所示, 压缩速度分别为 0. 1、1、2 mm/ min。 高应 变 率 压 缩 试 验 在 分 离 式 H opkinson 压 杆 ( 14 5 mm) 上进行, 如图 2 所示。
Fig. 2 图2 分离式 H opkinson 压杆示意图 T he s chemat ic diagram of split H opkin son pres sure bar
[ 12, 13 ]
1
1. 1
试验部分
实验材料及制备方法
采用上海富晨化工有限公司生产的标准型 Bis A 乙烯基酯树脂 , 黏度为 0. 45 Pa #s( 25 ∀ ) , 引发 剂为过氧化环己酮, 促进剂为环烷酸钴。将其用模 具浇铸成长度 l 为 5 m m( 12 mm) 的圆柱体, 室温 ( 实验室温度为 16 ∀ ) 凝胶后, 放入烘箱在 100 ∀ 固 化 1~ 2 h, 然后在室温下放置 24 h 后进行测试试 验。测得树脂浇铸体密度为 1140 9 kg/ m 3 。 1. 2 试验方案与测试方法 共进行 8 组应变 率下的 压缩试 验: 准静 态 3
复合材料学报 A cta M ateriae Compositae Sinica
文章编号 : 1000 3851( 2006) 06 0046 06
第 23 卷 V o l 23
第6期 No 6
12 月 December
2006 年 2006
乙烯基酯树脂浇铸体的高应变率压缩响应行为
熊
摘 要:
涛, 杨
[ 15]
Th e sch emat ic diagram of t he quasi st at ic t es tin g
2
结果与讨论
2. 1 准静态和高应变率下材料的压缩特性和失稳 破坏机理 图 3 为各种应变率下的应力 应变曲线。很明
包括: 无规线团分子沿应力方向收缩,
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复合材料学报
out by using a material univer sal test ing machine and H opkinson bar , and t he behaviors of co mpressive instability and fracture o f the r esin cast ing at differ ent strain rates wer e inv estigated. T he results indicate that the respo nse be havior o f the resin casting is contro lled by different mechanisms at differ ent strain rat es and so me mechanica l pr oper ties o f viny l ester casting a re r at e dependent: the castings are destro yed in a toughness mode at st rain r ate 3. 3 10- 4 / s~ 6. 6 10 - 3 / s, w hile the casting s are destr oy ed in a brittleness mode at str ain r ate 950/ s ~ 5800/ s. T he yield str ess, yield str ain energ y density ar e all increased w ith t he increasing of strain rates under quasi static lo ading as well as under hig h str ain r ates loading. W hat is interesting is that the y ield str ain is decr eased wit h the str ain r ate incr easing under quasi static lo ading s w hile it is incr eased under hig h str ain r ate loadings. It is consider ed that in the casting there occurred for ced hig h elastic defor matio n at hig h strain rates. T he damage of the specimens is mainly co nt rolled by ax ial str ess before unstable deformat ion, w hile mainly contro lled by shear stress after unstable deforma tion, and then all fr actur e finally. T he development o f the cr acks inside the casting s is a lso r ate dependent . Keywords: v inyl est er resin; quasi static; hig h strain r ate; str ain rate r esponse; crack dev elo pment
乙烯基酯树脂( VE 树脂) 密度低、耐腐蚀性好、 加工性能优异。分子链两端含 有不饱和双键 交联 点, 在受力状态下, 整个分子链可以伸长, 从而可 以吸收机械能及热的冲击 , 宏观上表现出具有很好 的抗冲击性能、耐开裂性能。分子链中的羟基对玻 璃纤维、芳纶、 超高分子量聚乙烯纤维等具有良好 的浸润性 , 与有机纤维的粘结性也很好。因此 VE
斌 , 熊
*
杰, 徐新建, 周
凯, 毛明忠
( 浙江理工大学 先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室 , 杭州 310018)
利用电子万能试验机和分离式 Ho pkinson 压杆研究了乙烯基酯树脂浇铸体在准 静态和高 应变率下的 压 10- 4 / s~ 6 6 10- 3 / s) ,
缩特 性 , 考察了试样压缩失稳和破坏的形貌。结果表明 : 在准静态加载下 ( 应变率为 3 3
( T he Key Labo rator y o f A dvanced T extile M ater ials and M anufacturing T echnolog y, M inistr y of Educatio n, Zhejiang Sci T ech U niversit y, Hangzhou 310018, China) Abstract: Q uasi stat ic and high str ain rat e compressive ex periments o n the viny l ester resin casting wer e car ried
收稿日期 : 2006 01 09; 收修改稿日期 : 2006 04 10 基金项目 : 国家自然科学基金项目( 10372092) 通讯作者 : 杨 斌 , 博士 , 副教授 , 主要从事纤维及其复合材料、 智能纺织材料的研究
E mail: yangbin5959@ yahoo. com. cn
y
∃ ∃ ∃ 本构失稳 [ 14] 。比较图 4( a) 和 4( b)
可以看出, 准静态下的应力 应变曲线有明显的屈 服
小于材料的断裂应力
b
, 呈韧性破
坏特征 ; 而在高应变率下, y > b , 材料呈脆性破坏 特征。由此可见, 应变率影响该材料的压缩性能 , 在 应变率升高过程中 , 该材料发生了韧 脆转变。
图4 Fig. 4
试样在准静态和动态条件下典型的完整应力 应变曲线
Th e int egrat ed st ress st rain curves und er quas i st at ic and dynamic compr ess ive t est ing
图5 Fig. 5
熊
涛 , 等 : 乙烯基酯树脂浇铸体的高应变率压缩响应行为
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合材料的功能和性能 。而目前在纤维增强树脂基 复合材料的高 应变率性能 研究上 , 人 们对复合 材 料[ 4 8] 和增强纤维 [ 9 11] 的研究较多 , 而对单 纯树脂 基体 的性能关注还不够。为了充分认识 乙烯 基酯树脂在高应变率动态加载下的相应特性 , 在室 温( 16~ 18 ∀ ) 下, 作者对该树脂的浇铸体进行了不 同应变率下的压缩实验研究。同时考察了试样的失 稳破坏在不同阶段的形貌 , 分析了试样破坏的内在 机理。
显 , 动态压缩曲线的初始模量、屈服应力远大于准 静态压缩曲线的初始模量、屈服应力 , 且随着应变 率的增加呈增加趋势。图 4 为其中一种准静态和动 态压缩应力 应变曲线。由图 4( a) 可见, 在准静态 下 , 当应变大于 20% 时 , 模量趋于零, 出现一段水 平的 应力平台!, 材料出现了塑性变形; 由图 4( b) 可见 , 在高应变率下 , 出现与试件失稳相对应的应 力极值点
145mm上进行9如图可以看出9准静态下的应力应变曲线有服阶段应力平台坏特征而在高应变率下材料呈脆性破坏特征0由此可见9应变率影响该材料的压缩性能9但还没有出现裂纹0这是因为在此阶段9试样主要受正应力的作用9微观分子链范围内的响应15包括无规线团分子沿应力方向收缩9准静态测试装置示意图fig1theschematicdiagramofthecuasistatictesting结果与讨论准静态和高应变率下材料的压缩特性和失稳2l破坏机理试样在准静态和动态条件下典型的完整应力应变曲线theintegratedstressstraincurvesundercuasistaticanddynamiccompressivetestingfig4准静态下试样的破坏形貌fig5themorphologiesofunstablebreakagespecimensundercuasistaticcompressivetesting半伸展分子链完全蜷曲9并承受弹性应力0开始有裂纹出现9如图5c9这是因为在由于试样内部存在微晶化学交联以及物理缠结等制约9有些分子链运动受阻9而个别分子链段处于高应力状态0这些处于高应力状态的分子链在应力涨落和热运动涨落综合作用下9断裂的结果使应力分布更加不均匀9分子链裂过程加速9发展成微裂纹微孔穴9继续承受微孔穴合并9发展成大裂纹或缺陷9所示0待裂纹扩展到整个试样时发生宏观破裂9图5e所示0当达到破坏点而在动态加载时9在应力波作试样内部的无规线团和半伸展分子链来不及做更大程度的蜷缩调整9分子间次价键就发生了断裂0所以高应变49率下试样没有很大的沿加载方向的变形就会因裂纹扩展而破坏9如图6所示为材料在准静态和高应变率下试样的力学性能o其中9uc试件可经受2030的压缩变形才破坏s在高应变率下9试件很少有压缩变形超过10破坏的9呈所谓的h冲击脆化9并且在试件整体破裂纹形式的损伤o对于这类试件在高应变率下卸载后无可觉察的整体残余变形s但如经受第二次加载则往往发生图5所示的破坏o这表明高应变率下的脆性破坏是以微裂纹损伤的形成和发展为前导的9如图6所示o乙烯基酯树脂浇铸体的应变率响应对低应变率下试件破坏行为的进一步观察还发现9在给定应变率如图5所示9其中图5a5b5c分别为准静态和高应变率下试样的力学性能mechanicalpropertiesofveatdifferentstrainratestableluns
图1 Fig. 1 准静态测试装置示意图
图 5 为准静态下试样的失稳和破坏图。在准静 态加载时, 材料在起始 阶段后有 一小段弹 性形变 区 , 应力 应变曲线呈直线变化, 然后达到一个应 力平台 , 在这个 阶段, 试样 出现了 鼓形 ! 塑 性变 形 , 如图 5( b) , 但还没有出现裂纹。这是因为在此 阶段 , 试样主要受正应力的作用, 微观分子链范围 内的响应
材料 呈韧性破坏 , 失稳应力、失稳应变能密度均随应变率的提高 而提高 , 失稳应变 随应变率 的提高而降 低 ; 在 高 应变率下 ( 应变率为 950/ s~ 5800/ s) , 材料呈脆性破坏 , 失稳 应力、失稳 应变能 密度均 随应变率 的提高 呈增加 趋 势 , 而失稳应变也随应变率的提高而 提高 , 这与准 静态不 同 , 表 明在高 应变率 下 , 材 料发生 了 强迫高 弹形变 ! 。 观察 试样失稳和破坏后的形貌可以发现 , 试样的破坏在失 稳前正应力起主导作用 , 失稳后切 应力起主 导作用 , 使 试样产生裂纹进而造成宏观破坏 ; 乙烯基酯树脂 内部损伤的演化 , 也依赖于应变和应变率。 关键词 : 乙烯基酯树脂 ; 准静态 ; 高应变率 ; 应变率响应 ; 裂纹扩 展 T B332 文献标识码 : A 中图分类号 :
Effect of strain rate on the compression behavior of vinyl ester resin casting
XIONG T ao, YAN G Bin * , XION G Jie, XU Xinjian, ZH OU Kai, M AO M ing zhong
树脂是继环氧树脂之后的又一类被广泛应用和研究 的树脂。 近年来已有报道把 VE 树脂用于制作防弹材料 的基体[ 1, 2] 。 Gama 和 Gillespie 等[ 1] 研究了 S2 玻 璃纤维/ 乙烯基酯树脂复合材料的防弹性能, 指出 该复合材料作 为复合装甲的内衬层具 有良好的性 能。树脂基体的性能直接关系到纤维增强树脂基复