環(huán)氧樹脂材料動態(tài)拉伸與斷裂行為研究.pdf

1、聚合物及其復合材料具有低密度、耐腐蝕、絕緣電氣性能好，較好的比強度等諸多優(yōu)點，廣泛應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，它的力學性能通常表現(xiàn)出較強的應變率和溫度依賴性。基于分離式Hopkinson壓桿（SHPB）實驗技術(shù)，人們已對高應變率壓縮下聚合物材料的力學響應與損傷破壞開展了許多研究工作。然而，對于霍普金森拉桿實驗，由于啞鈴型試樣標距長度的不確定性引起應變率和應變計算存在較大誤差。針對此問題，本文首先對傳統(tǒng)的SH

2、TB進行了改進，采用基于超高速相機的數(shù)字圖像相關(guān)性全場應變測量技術(shù)對試件動態(tài)拉伸應變進行實時測量，解決了傳統(tǒng)SHTB實驗中應變測量的不準確性問題，隨后，采用改進的SHTB實驗技術(shù)，以典型的熱固性高聚物環(huán)氧樹脂材料為研究對象開展了動態(tài)拉伸實驗研究，獲得了具有較高精度的應力-應變關(guān)系曲線，討論了應變率的影響，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，對回收的試樣斷口形貌進行分析，揭示其斷裂機理。具體的研究成果簡述如下：
　　

3、1）在分離式Hopkinson拉桿(SHTB)實驗系統(tǒng)上，發(fā)展了基于超高速相機和數(shù)字圖像相關(guān)性(DIC)分析方法的試件全場應變測量新方法，同時搭建了同步觸發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)了桿上應變片電壓數(shù)據(jù)和實時試件變形圖像同步采集。采用新實驗系統(tǒng)成功獲得了尼龍和鋁合金材料的動態(tài)拉伸應力-應變曲線，驗證了DIC全場應變分析在SHTB實驗中的有效性。DIC全場應變分析得到的平均應變與試件上應變片測量結(jié)果一致性很好,而基于試件原始標距的一維應力波理論計算的平均

4、應變則明顯偏大，需要對試件原始標距進行修正后才能獲得有效的試件應變?；贒IC全場應變測量，討論了應變均勻性問題，結(jié)果顯示：脆性的尼龍試件在標距范圍內(nèi)應變均勻性良好，而韌性的鋁合金試件表現(xiàn)出比較嚴重的應變不均勻性，歸因于頸縮變形的影響。
　　2）采用Instron5966試驗機和改進的SHTB實驗裝置，對自制的環(huán)氧樹脂材料開展了不同應變率下拉力學行為實驗研究，結(jié)果顯示：環(huán)氧樹脂材料無論是低應變率（10-4～10-2s-1）和高應變

5、率（500～1000s-1）下都表現(xiàn)出非常強烈的應變率敏感性。采用在聚合物材料壓縮本構(gòu)關(guān)系——“朱-王-唐”方程的基礎上，驗證了“朱-王-唐”非線性粘彈性本構(gòu)方程可以較好的擬合環(huán)氧樹脂在低應變率下的拉伸力學響應，但對高應變率下的力學響應不能很好描述，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軟件自帶的考慮應變率效應的粘彈性材料模型對環(huán)氧樹脂的動態(tài)拉伸實驗進行了數(shù)值模擬，計算中所用材料參數(shù)取自于實驗數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬所得的應力-應變曲線與實驗結(jié)果基本一致；
　　4）對不同應變率下環(huán)氧樹脂材料拉伸斷口進行了顯微觀測，發(fā)現(xiàn)斷口呈現(xiàn)有斷裂源區(qū)、穩(wěn)定擴展區(qū)和快速擴展區(qū)三個斷裂區(qū)，隨著材料拉伸應變率的提高：斷裂源區(qū)銀紋承受達到最大拉應力時間提前，應力集中提前發(fā)生，相鄰分子鍵斷裂更快，斷裂源區(qū)逐漸減少；穩(wěn)定擴展區(qū)所呈現(xiàn)鏡面