摘要: 通过对不同玻纤含量的玻纤增强尼龙复合材料(GFPA) 的性能及断口形貌的研究，得出GFPA的宏观力学性能的变化可由断面形貌特征来定量表征。拉伸强度随拉伸断口断面平坦区面积与断面总面积之比的变小而提高, Izod缺口冲击强度随GFPA的断面粗糙度参数RS的提高而线性提高。断面形貌的变化与玻纤在基体树脂中的应力集中作用及对裂纹扩展的阻碍作用有关。
尼龙6用玻纤增强后，其力学性能、热性能、尺寸稳定性得到显著改善。用高强度的玻璃纤维(GF)和树脂配合来提高基体的力学性能，其增强效果主要依赖于玻纤与基体的粘接效果，以便使塑料基体承受的载荷能转移到高强度玻纤上来。在以往的研究中，多侧重于改善玻纤与尼龙基体的粘接性能和采用更高强度的玻璃纤维, 而对于GFPA 断裂机理的研究相对较少。
对金属材料常用的断面形貌定量分析方法在聚合物中的应用较少。主要是因为聚合物材料的断裂性能不仅与断口形貌有关而且与断裂类型(脆性断裂和韧性断裂)有关，研究分析起来比较困难。本文通过对试样断口形貌的观察、分析和测量，研究了玻纤含量对复合材料性能、断面行貌特征及断裂过程的影响。
1 实验部分
1.1 主要原材料
尼龙6：日本宇部U be1030B;
玻纤：南京玻璃纤维研究设计院NB243 2400Tex;
表面处理剂：KH550。
1.2 主要设备和仪器
TSSJ258同向双螺杆挤出机，化工部晨光化工研究院塑料机械研究所;
CJ 80MZ2NCê型注塑机，震德塑料机械厂有限公司;
ZBC24B液晶式摆锤冲击试验机，深圳市新三思计量技术有限公司;
WDW 210C微机控制电子万能试验机，上海华龙测试仪器公司;
KYKY22800B扫描电子显微镜，中科院仪器厂。
1.3 实验工艺
制备不同玻纤含量的GFPA 粒料，挤出工艺参数：螺杆转速200r/min; 喂料转速15r/min;挤出温度210 ℃～ 260 ℃ 。
2结果与讨论
实测各组玻纤含量为：10%、16%、20%、24% 。不同玻纤含量对尼龙6 复合材料性能的影响见图 1。可看出随玻纤含量增加，GFPA的拉伸强度、弯曲强度、弹性模量基本呈线性提高，而缺口冲击强度随玻纤含量的增加呈抛物线趋势提高。随着玻纤含量的增加，由于在玻纤与基体界面粘接良好的状态下，复合材料任一截面上有更多的玻纤承载，无论这些玻纤是被拔出还是拉断，都需要对其施加更大的载荷，同时随刚性玻纤含量增加，塑性基体树脂的变形受到的约束更大，复合材料变形量越小，因而其强度和弹性模量得到提高。
图 1:不同玻纤含量PA6的机械性能
通过对断口形貌分析，笔者发现断裂力学性能与断口形貌有明显的关系：拉伸断口平坦区面积AP变小，拉伸强度增加：缺口冲击断口表面粗糙度增加，缺口冲击强度增加。
2.1 拉伸断口分析
对拉伸断口作宏观全貌分析时，可将GFPA的宏观拉伸断口分为明显的两个区域：平坦区(裂纹源和裂纹稳定扩展区) 和粗糙区(瞬断区)。复合材料随玻纤含量增加，其断口平坦区面积减小，而粗糙区面积增大。由断口各特征区微观形貌(图 2) 看出各特征区形貌基本相同，但裂纹源处较平坦，而在瞬断区则被大量台阶分割成不同平面而呈粗糙岩石状，同时从这两个特征区域的微观照片都可以看到有大量玻纤被拉断，少量被拔出，且被拔出的玻纤表面粘接有尼龙基体，说明玻纤与基体界面的粘接较好，其增强效果好。
图 2: 10%玻纤含量PA6的SEM照片，断口各特征区微观形貌
用Scion图像处理软件测断口平坦区面积Ap与断口表面积Ao。图 3为不同玻纤含量、GFPA拉伸断面Ap/Ao测定值与GFPA的拉伸强度的关系。由图 3可知Ap/Ao随玻纤含量增加而减小。即平坦区面积AP随玻纤含量增加而下降，拉伸强度随Ap/Ao减小而提高，表明GFPA的拉伸强度可由拉伸断口的Ap/Ao来表征。GFPA随玻纤含量增加，粗糙的瞬断区面积越大，这主要是在拉应力作用下，由于GFPA中玻纤末端的应力集中，首先在玻纤末端萌生微裂纹，微裂纹扩展，最后微裂纹汇集失稳引起断裂。玻纤含量越高，引发的微裂纹越多，形成的台阶越多，使粗糙区面积变大。
图 3: 不同玻纤含量、GFPA拉伸断面Ap/Ao测定值与GFPA的拉伸强度
2.2 冲击断口分析
由宏观缺口冲击断面(图 4) 分析，可直观地看出GFPA缺口冲击断口形貌明显与纯PA6不同，纯PA6冲击断口(图4-A) 的裂纹萌生区、扩展区、弧形带状区和最后瞬断区很明显。而GFPA则没有明显的分区，但其缺口冲击断口(图 4 的B、C、D、E) 表面粗糙度明显随玻纤含量的增加而增加。由断面轮廓线法可测缺口冲击断口表面粗糙度参数RL。断面粗糙度参数RL定义为断面剖面轮廓线真实长度与其特定方向上投影长度的比值。用工具显微镜将冲击断口放大400倍，再用IAS4图形分析系统对各特征区进行测量。得到轮廓线实际长度与断口长度的比值，即为RL。断面粗糙度RS可由断面真实面积与投影面积的比值得出。
图 4: A为纯PA6，B、C、D、E的玻纤含量为10%、16%、20%、24%，不同玻纤含量的缺口冲击断面
图 5为玻纤含量、GFPA缺口冲击强度与断口表面粗糙度Rs的关系。首先，可以看出断口表面粗糙度随玻纤含量增加而增加;其次，不论玻纤含量多少，GFPA缺口冲击强度随断口粗糙度增加呈线性增加。
图 5: 玻纤含量、GFPA缺口冲击强度与断口表面粗糙度Rs的关系
由图 6(A)玻纤含量10%的GFPA缺口冲击断面SEM照片中可以看到尼龙基体出现的台阶是沿着玻纤分布线进行的，即基体被玻纤分布线分割成高低不平的台阶，各台阶为一个平坦区。由此可得到玻纤含量越高，基体被分割成的台阶越多，各平坦区面积越小，即粗糙度越高。对图 6(A)的平坦区进行放大可看到在平坦区出现二次裂纹源和裂纹扩展区(图 6(B) (C) )，其形貌与纯尼龙断口形貌相同。通过上面对断口的分析，我们得出在性能测试结果中缺口冲击强度随玻纤含量增加呈抛物线趋势提高是由两方面原因决定的。一方面，随着高强度玻纤含量的增加，无论这些玻纤是被拉断或拔出都需要消耗更多冲击能量，即冲击强度呈提高趋势;另一方面，随着玻纤含量的增加，裂纹扩展受到的阻隔越多，裂纹扩展时基体被分割的台阶越多，断口表面粗糙度越大，断面消耗的能量增多。GFPA的冲击强度同断口表面粗糙度呈线性关系，说明GFPA的缺口冲击强度的变化可由断面粗糙度来定量表征。
图 6: GFPA缺口冲击断面SEM照片
2.3 断裂机理
从GFPA拉伸和缺口冲击断面的观察分析，并结合文献可以得出，裂纹在尼龙基体中的扩展是有规律的，总是由裂纹萌生区(裂纹源) 和裂纹扩展区组成。而由于玻纤的加入，裂纹扩展受到玻纤的阻隔，裂纹扩展终止。接着是沿裂纹扩展方向玻纤的断裂或拔出，所以在断裂方向沿着玻纤的分布线出现了台阶。越过台阶在下一个基体平坦区上又出现二次裂纹源及裂纹扩展区。其形成过程示意图如图 7所示，存在两种可能性。随着玻纤含量的增加，裂纹扩展受到的阻隔越多，平坦区面积越小，台阶越多，平坦区数量越多，即断面粗糙度越大。
图 7: 裂纹扩展形成过程示意图
3 结论
(1)GFPA 复合材料的拉伸强度、缺口冲击强度、弯曲强度、弹性模量都随玻纤含量的增加而提高。
(2)通过观察断口形貌，根据断口玻纤是被拉断还是拔出，及玻纤表面是否粘接有尼龙基体，可直观反映玻纤与基体树脂的界面粘接效果及相应的玻纤增强效果。
(3)GFPA 的拉伸性能和缺口冲击性能可根据断面形貌特征区来定量表征：拉伸强度随断面平坦区面积和断面总面积的比值AP/A0的变小而提高;缺口冲击强度随断面粗糙度参数RS变大线性提高。
(4)拉伸断裂时AP/A0随玻纤含量增加而减小和冲击断裂时RS随玻纤含量增加而增大的原因是玻纤含量增加，由于应力集中的原因，复合材料中诱发的微细裂纹越来越多，且由于玻纤含量的增加，裂纹扩展时受到的阻碍增加，导致断裂分层。(end)
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