1.3 實(shí)驗(yàn)工藝

制備不同玻纖含量的GFPA 粒料，擠出工藝參數(shù)：螺桿轉(zhuǎn)速200r/min；喂料轉(zhuǎn)速15r/min；擠出溫度210 ℃～ 260 ℃ 。 字串3

2　結(jié)果與討論

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實(shí)測各組玻纖含量為：10%、16%、20%、24% 。不同玻纖含量對尼龍6 復(fù)合材料性能的影響見圖1?？煽闯鲭S玻纖含量增加，GFPA的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量基本呈線性提高，而缺口沖擊強(qiáng)度隨玻纖含量的增加呈拋物線趨勢提高。隨著玻纖含量的增加，由于在玻纖與基體界面粘接良好的狀態(tài)下，復(fù)合材料任一截面上有更多的玻纖承載，無論這些玻纖是被拔出還是拉斷，都需要對其施加更大的載荷，同時(shí)隨剛性玻纖含量增加，塑性基體樹脂的變形受到的約束更大，復(fù)合材料變形量越小，因而其強(qiáng)度和彈性模量得到提高。

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圖1:不同玻纖含量PA6的機(jī)械性能

通過對斷口形貌分析，筆者發(fā)現(xiàn)斷裂力學(xué)性能與斷口形貌有明顯的關(guān)系：拉伸斷口平坦區(qū)面積AP變小，拉伸強(qiáng)度增加：缺口沖擊斷口表面粗糙度增加，缺口沖擊強(qiáng)度增加www.ljr2008.cn

2.1 拉伸斷口分析

對拉伸斷口作宏觀全貌分析時(shí)，可將GFPA的宏觀拉伸斷口分為明顯的兩個(gè)區(qū)域：平坦區(qū)(裂紋源和裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū))和粗糙區(qū)(瞬斷區(qū))。復(fù)合材料隨玻纖含量增加，其斷口平坦區(qū)面積減小，而粗糙區(qū)面積增大。由斷口各特征區(qū)微觀形貌(圖 2)看出各特征區(qū)形貌基本相同，但裂紋源處較平坦，而在瞬斷區(qū)則被大量臺階分割成不同平面而呈粗糙巖石狀，同時(shí)從這兩個(gè)特征區(qū)域的微觀照片都可以看到有大量玻纖被拉斷，少量被拔出，且被拔出的玻纖表面粘接有尼龍基體，說明玻纖與基體界面的粘接較好，其增強(qiáng)效果好。

 

圖 2:10％玻纖含量PA6的SEM照片，斷口各特征區(qū)微觀形貌

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用Scion圖像處理軟件測斷口平坦區(qū)面積Ap與斷口表面積Ao。圖3為不同玻纖含量、GFPA拉伸斷面Ap/Ao測定值與GFPA的拉伸強(qiáng)度的關(guān)系。由圖3可知Ap/Ao隨玻纖含量增加而減小。即平坦區(qū)面積AP隨玻纖含量增加而下降，拉伸強(qiáng)度隨Ap/Ao減小而提高，表明GFPA的拉伸強(qiáng)度可由拉伸斷口的Ap/Ao來表征。GFPA隨玻纖含量增加，粗糙的瞬斷區(qū)面積越大，這主要是在拉應(yīng)力作用下，由于GFPA中玻纖末端的應(yīng)力集中，首先在玻纖末端萌生微裂紋，微裂紋擴(kuò)展，*后微裂紋匯集失穩(wěn)引起斷裂。玻纖含量越高，引發(fā)的微裂紋越多，形成的臺階越多，使粗糙區(qū)面積變大。字串4

圖 3:不同玻纖含量、GFPA拉伸斷面Ap/Ao測定值與GFPA的拉伸強(qiáng)度

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2.2 沖擊斷口分析

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由宏觀缺口沖擊斷面(圖 4)分析，可直觀地看出GFPA缺口沖擊斷口形貌明顯與純PA6不同，純PA6沖擊斷口(圖4-A)的裂紋萌生區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、弧形帶狀區(qū)和*后瞬斷區(qū)很明顯。而GFPA則沒有明顯的分區(qū)，但其缺口沖擊斷口(圖 4 的B、C、D、E)表面粗糙度明顯隨玻纖含量的增加而增加。由斷面輪廓線法可測缺口沖擊斷口表面粗糙度參數(shù)RL。斷面粗糙度參數(shù)RL定義為斷面剖面輪廓線真實(shí)長度與其特定方向上投影長度的比值。用工具顯微鏡將沖擊斷口放大400倍，再用IAS4圖形分析系統(tǒng)對各特征區(qū)進(jìn)行測量。得到輪廓線實(shí)際長度與斷口長度的比值，即為RL。斷面粗糙度RS可由斷面真實(shí)面積與投影面積的比值得出。

圖 4:A為純PA6，B、C、D、E的玻纖含量為10％、16％、20％、24％，不同玻纖含量的缺口沖擊斷面

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圖5為玻纖含量、GFPA缺口沖擊強(qiáng)度與斷口表面粗糙度Rs的關(guān)系。首先，可以看出斷口表面粗糙度隨玻纖含量增加而增加；其次，不論玻纖含量多少，GFPA缺口沖擊強(qiáng)度隨斷口粗糙度增加呈線性增加。字串1

圖 5:玻纖含量、GFPA缺口沖擊強(qiáng)度與斷口表面粗糙度Rs的關(guān)系

由圖6(A)玻纖含量10%的GFPA缺口沖擊斷面SEM照片中可以看到尼龍基體出現(xiàn)的臺階是沿著玻纖分布線進(jìn)行的，即基體被玻纖分布線分割成高低不平的臺階，各臺階為一個(gè)平坦區(qū)。由此可得到玻纖含量越高，基體被分割成的臺階越多，各平坦區(qū)面積越小，即粗糙度越高。對圖6(A)的平坦區(qū)進(jìn)行放大可看到在平坦區(qū)出現(xiàn)二次裂紋源和裂紋擴(kuò)展區(qū)(圖 6(B) (C))，其形貌與純尼龍斷口形貌相同。通過上面對斷口的分析，我們得出在性能測試結(jié)果中缺口沖擊強(qiáng)度隨玻纖含量增加呈拋物線趨勢提高是由兩方面原因決定的。一方面，隨著高強(qiáng)度玻纖含量的增加，無論這些玻纖是被拉斷或拔出都需要消耗更多沖擊能量，即沖擊強(qiáng)度呈提高趨勢；另一方面，隨著玻纖含量的增加，裂紋擴(kuò)展受到的阻隔越多，裂紋擴(kuò)展時(shí)基體被分割的臺階越多，斷口表面粗糙度越大，斷面消耗的能量增多。GFPA的沖擊強(qiáng)度同斷口表面粗糙度呈線性關(guān)系，說明GFPA的缺口沖擊強(qiáng)度的變化可由斷面粗糙度來定量表征。

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圖 6:GFPA缺口沖擊斷面SEM照片

2.3 斷裂機(jī)理

從GFPA拉伸和缺口沖擊斷面的觀察分析，并結(jié)合文獻(xiàn)可以得出，裂紋在尼龍基體中的擴(kuò)展是有規(guī)律的，總是由裂紋萌生區(qū)(裂紋源)和裂紋擴(kuò)展區(qū)組成。而由于玻纖的加入，裂紋擴(kuò)展受到玻纖的阻隔，裂紋擴(kuò)展終止。接著是沿裂紋擴(kuò)展方向玻纖的斷裂或拔出，所以在斷裂方向沿著玻纖的分布線出現(xiàn)了臺階。越過臺階在下一個(gè)基體平坦區(qū)上又出現(xiàn)二次裂紋源及裂紋擴(kuò)展區(qū)。其形成過程示意圖如圖7所示，存在兩種可能性。隨著玻纖含量的增加，裂紋擴(kuò)展受到的阻隔越多，平坦區(qū)面積越小，臺階越多，平坦區(qū)數(shù)量越多，即斷面粗糙度越大。

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圖 7:裂紋擴(kuò)展形成過程示意圖

3 結(jié)論

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(1)GFPA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量都隨玻纖含量的增加而提高。
　　(2)通過觀察斷口形貌，根據(jù)斷口玻纖是被拉斷還是拔出，及玻纖表面是否粘接有尼龍基體，可直觀反映玻纖與基體樹脂的界面粘接效果及相應(yīng)的玻纖增強(qiáng)效果。
　　(3)GFPA的拉伸性能和缺口沖擊性能可根據(jù)斷面形貌特征區(qū)來定量表征：拉伸強(qiáng)度隨斷面平坦區(qū)面積和斷面總面積的比值A(chǔ)P/A0的變小而提高；缺口沖擊強(qiáng)度隨斷面粗糙度參數(shù)RS變大線性提高。
　　(4)拉伸斷裂時(shí)AP/A0隨玻纖含量增加而減小和沖擊斷裂時(shí)RS隨玻纖含量增加而增大的原因是玻纖含量增加，由于應(yīng)力集中的原因，復(fù)合材料中誘發(fā)的微細(xì)裂紋越來越多，且由于玻纖含量的增加，裂紋擴(kuò)展時(shí)受到的阻礙增加，導(dǎo)致斷裂分層。