1.3 實(shí)驗(yàn)工藝

製備不同玻纖含量的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(cè)各組玻纖含量為：10%、16%、20%、24% 。不同玻纖含量對(duì)尼龍6 複合材料性能的影響見圖1。可看出隨玻纖含量增加，GFPA的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量基本呈線性提高，而缺口衝擊強(qiáng)度隨玻纖含量的增加呈拋物線趨勢(shì)提高。隨著玻纖含量的增加，由於在玻纖與基體界麵粘接良好的狀態(tài)下，複合材料任一截麵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(duì)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，複合材料變形量越小，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(duì)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)係：拉伸斷口平坦區(qū)麵積AP變小，拉伸強(qiáng)度增加：缺口衝擊斷口表麵粗糙度增加，缺口衝擊強(qiáng)度增加www.relay-china.com

2.1 拉伸斷口分析

對(duì)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))。複合材料隨玻纖含量增加，其斷口平坦區(qū)麵積減小，而粗糙區(qū)麵積增大。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(tái)階分割成不同平麵而呈粗糙巖石狀，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，且被拔出的玻纖表麵粘接有尼龍基體，說明玻纖與基體界麵的粘接較好，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(cè)斷口平坦區(qū)麵積Ap與斷口表麵積Ao。圖3為不同玻纖含量、GFPA拉伸斷麵Ap/Ao測(cè)定值與GFPA的拉伸強(qiáng)度的關(guān)係。由圖3可知Ap/Ao隨玻纖含量增加而減小。即平坦區(qū)麵積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)麵積越大，這主要是在拉應(yīng)力作用下，由於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，*後微裂紋彙集失穩(wěn)引起斷裂。玻纖含量越高，引發(fā)的微裂紋越多，形成的臺(tái)階越多，使粗糙區(qū)麵積變大。字串4

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

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2.2 衝擊斷口分析

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由宏觀缺口衝擊斷麵(圖 4)分析，可直觀地看出GFPA缺口衝擊斷口形貌明顯與純PA6不同，純PA6衝擊斷口(圖4-A)的裂紋萌生區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、弧形帶狀區(qū)和*後瞬斷區(qū)很明顯。而GFPA則冇有明顯的分區(qū)，但其缺口衝擊斷口(圖 4 的B、C、D、E)表麵粗糙度明顯隨玻纖含量的增加而增加。由斷麵輪廓線法可測(cè)缺口衝擊斷口表麵粗糙度參數(shù)RL。斷麵粗糙度參數(shù)RL定義為斷麵剖麵輪廓線真實(shí)長度與其特定方向上投影長度的比值。用工具顯微鏡將衝擊斷口放大400倍，再用IAS4圖形分析係統(tǒng)對(duì)各特征區(qū)進(jìn)行測(cè)量。得到輪廓線實(shí)際長度與斷口長度的比值，即為RL。斷麵粗糙度RS可由斷麵真實(shí)麵積與投影麵積的比值得出。

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衝擊斷麵

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圖5為玻纖含量、GFPA缺口衝擊強(qiáng)度與斷口表麵粗糙度Rs的關(guān)係。首先，可以看出斷口表麵粗糙度隨玻纖含量增加而增加；其次，不論玻纖含量多少，GFPA缺口衝擊強(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缺口衝擊強(qiáng)度與斷口表麵粗糙度Rs的關(guān)係

由圖6(A)玻纖含量10%的GFPA缺口衝擊斷麵SEM照片中可以看到尼龍基體出現(xiàn)的臺(tái)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(tái)階，各臺(tái)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(tái)階越多，各平坦區(qū)麵積越小，即粗糙度越高。對(duì)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。通過上麵對(duì)斷口的分析，我們得出在性能測(cè)試結(jié)果中缺口衝擊強(qiáng)度隨玻纖含量增加呈拋物線趨勢(shì)提高是由兩方麵原因決定的。一方麵，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衝擊能量，即衝擊強(qiáng)度呈提高趨勢(shì)；另一方麵，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(tái)階越多，斷口表麵粗糙度越大，斷麵消耗的能量增多。GFPA的衝擊強(qiáng)度同斷口表麵粗糙度呈線性關(guān)係，說明GFPA的缺口衝擊強(qiáng)度的變化可由斷麵粗糙度來定量表征。

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圖 6:GFPA缺口衝擊斷麵SEM照片

2.3 斷裂機(jī)理

從GFPA拉伸和缺口衝擊斷麵的觀察分析，並結(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。而由於玻纖的加入，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(tái)階。越過臺(tái)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)麵積越小，臺(tái)階越多，平坦區(qū)數(shù)量越多，即斷麵粗糙度越大。

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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複合材料的拉伸強(qiáng)度、缺口衝擊強(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，及玻纖表麵是否粘接有尼龍基體，可直觀反映玻纖與基體樹脂的界麵粘接效果及相應(yīng)的玻纖增強(qiáng)效果。
　　(3)GFPA的拉伸性能和缺口衝擊性能可根據(jù)斷麵形貌特征區(qū)來定量表征：拉伸強(qiáng)度隨斷麵平坦區(qū)麵積和斷麵總麵積的比值A(chǔ)P/A0的變小而提高；缺口衝擊強(qiáng)度隨斷麵粗糙度參數(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衝擊斷裂時(shí)RS隨玻纖含量增加而增大的原因是玻纖含量增加，由於應(yīng)力集中的原因，複合材料中誘發(fā)的微細(xì)裂紋越來越多，且由於玻纖含量的增加，裂紋擴(kuò)展時(shí)受到的阻礙增加，導(dǎo)致斷裂分層。