不同應變率下多壁碳納米管/天然橡膠復合材料的抗沖擊性能研究

景玉龍，杜華太，江美娟，孔 義，王存鐸，謝富霞

（中國兵器工業集團第五三研究所，山東 濟南 250031）

橡膠材料憑借絕緣、耐腐蝕等諸多優點廣泛應用于軍用和民用領域，其具有粘彈性，即橡膠材料通常表現出較強的時間和溫度依賴性。在不同的應變率情況下橡膠材料的力學響應不同，特別是在碰撞、爆炸、沖擊等高應變率下，橡膠材料的力學特性更需要特別的研究和關注[1-7]。

本工作利用分離式霍普金森壓桿對4種不同多壁碳納米管（MWNTs）用量的MWNTs/天然橡膠（NR）復合材料進行了高應變率下的沖擊試驗，并與準靜態條件下橡膠材料的應力應變性能進行對比，研究MWNTs/NR復合材料的抗沖擊性能。

1 實驗

1.1 主要原材料

NR，1#煙膠片，馬來西亞產品；MWNTs，中國科學院成都有機化學有限公司產品。

1.2 試驗配方

NR 100，氧化鋅 5，硬脂酸 2，防老劑4010NA 1，硫黃 2，促進劑NOBS 1.5，促進劑DM 0.5，MWNTs 變量。

1.3 主要設備與儀器

JIC-725型兩輥開煉機，廣東湛江橡塑機械制造廠產品；2 L剪切式密煉機，益陽橡膠塑料機械集團有限公司產品；100 t平板硫化機，磐石油壓工業（安徽）有限公司產品；RPA2000型橡膠加工分析儀，德國耐馳公司產品；分離式霍普金森壓桿系統，壓桿直徑為14.5 mm，中國兵器工業集團第五三研究所產品；Instron 8032型萬能材料試驗機，英國Instron公司產品。

1.4 試樣制備

（1）混煉膠。在密煉機中進行MWNTs/NR母膠的混煉，先將1 kg的NR加入密煉機中預熱，3 min后將200 g MWNTs加入密煉機中，充分混合8 min后排膠，制得MWNTs/NR母膠；再將母膠按照試驗配方添加其他填料及硫化劑等，在開煉機上充分混合制備成MWNTs用量分別為0，3，5和7份的MWNTs/NR混煉膠。

（2）硫化膠。用RPA2000型橡膠加工分析儀測定膠料正硫化時間（t90）；在平板硫化機上硫化，硫化條件為145 ℃/10 MPa×t90。

試樣為圓柱體，直徑為（10±0.15） mm，高為（5±0.25） mm。

2 結果與討論

2.1 壓縮應力應變性能

在準靜態下，主要考察應變率和MWNTs用量對復合材料壓縮彈性模量、吸能率以及抗變形能力的影響。MWNTs/NR復合材料在兩種低應變率下的應力-應變曲線如圖1所示。

圖1 MWNTs/NR復合材料在低應變率下的應力-應變曲線

從圖1可以發現：在準靜態條件下，MWNTs/NR復合材料在兩種低應變率下的壓縮應力-應變曲線的變化趨勢相同，隨著MWNTs用量的增大，壓縮應力-應變曲線均更加傾斜，壓縮彈性模量增大。壓縮應力-應變曲線下方的積分面積越大，材料吸能率越高，吸能效果越好；反之，則吸能率越低，吸能效果越差。隨著MWNTs用量的增大，MWNTs/NR復合材料的吸能率提高。

未添加MWNTs時，材料在兩種低應變率下的壓縮應力-應變曲線幾乎重合，應變率對材料的壓縮應力-應變性能影響不大；隨著MWNTs用量的增大，MWNTs/NR復合材料在兩種低應變率下的應力-應變曲線逐漸發生偏離，且隨著MWNTs用量的增大，這種偏離逐漸增大。不同用量MWNTs/NR復合材料在兩種低應變率下的壓縮彈性模量對比見表1。

表1 準靜態下MWNTs/NR復合材料的壓縮彈性模量 MPa

由表1可見，應變率為0.001和0.01 s-1時，MWNTs/NR復合材料的壓縮彈性模量隨MWNTs用量的變化趨勢基本相同，均隨MWNTs用量的增大而提高。此外，在MWNTs的用量相同時，應變率為0.01 s-1的復合材料壓縮彈性模量較高，且隨著MWNTs用量的增大，二者的差值增大。這種現象說明MWNTs的加入提高了復合材料的抗變形能力，從而提高了材料的吸能率，尤其是在應變率增大時，這一效果更加顯著。這可能是因為復合材料中加入的MWNTs具有非常高的模量，其值最高可達1 TPa，但其卻擁有良好韌性，當復合材料受到外力作用時，可以通過自身的微小形變及與NR基體間的摩擦等消耗一部分能量，使復合材料的抗變形能力提高，吸能率增大。

2.2 在高應變下的抗沖擊性能

MWNTs/NR復合材料在不同高應變率下的應變率-應變曲線如圖2所示。

圖2 高應變率下MWNTs/NR復合材料的應變率-應變曲線

從圖2可以看出，不同MWNTs用量的MWNTs/NR復合材料均可以在較小的應變時很快達到預設的應變率范圍，并且穩定在這一應變率范圍內。因此可以粗略地認為：在對4種復合材料進行霍普金森壓桿試驗測試時，應變率是恒定不變的，在此基礎上研究應變率和MWNTs用量對MWNTs/NR復合材料抗沖擊性能的影響。

MWNTs/NR復合材料試樣在霍普金森壓桿試驗前后的照片對比見圖3。

圖3 不同應變率下沖擊試驗前后的試樣照片

從圖3可以看出：在應變率為2 250～2 500 s-1時，4種MWNTs/NR復合材料試樣在沖擊試驗測試前后的外觀以及尺寸等均未發生明顯變化；在應變率為3 750～4 000 s-1時，4種MWNTs/NR復合材料試樣在霍普金森壓桿試驗測試前后的外觀及尺寸均發生較大變化，鋼彈的沖擊使試樣中心位置產生了較大的變形，中心向內凹陷形成“坑”狀，且這種凹陷的“坑”狀變形會隨著MWNTs用量的增大而逐漸減小。這種現象說明，MWNTs的加入提高了復合材料的抗沖擊與抵御變形的能力。

高應變率下MWNTs/NR復合材料應力-應變曲線如圖4所示。從圖4可以看出：與準靜態條件下MWNTs/NR復合材料的壓縮應力-應變曲線相比，高應變率下復合材料的曲線形狀有所不同，這主要是由于外力的加載方式不同所引起的，準靜態下對試樣所施加的外力隨著應變的增大逐漸增大，而在高應變率下對試樣所施加的外力為一恒定沖量，在與試樣接觸的過程中，力逐漸減小，使得壓縮應力-應變曲線的形狀與準靜態下不同。但是，在不同應變率下，MWNTs/NR復合材料的壓縮應力-應變曲線隨MWNTs用量的變化趨勢基本一致。

圖4 高應變率下MWNTs/NR復合材料應力-應變曲線

由圖4還可以看出：當MWNTs用量為零、應變小于15%時，材料在兩種高應變率下的壓縮應力-應變曲線基本重合，但隨著MWNTs用量的增大，復合材料在兩種高應變率下的壓縮應力-應變曲線逐漸發生偏離，且隨著MWNTs用量的增大，這種偏離隨之變大，這與準靜態下的變化基本一致。MWNTs/NR復合材料試樣在兩種高應變率下的壓縮應力-應變曲線初期的壓縮彈性模量對比見表2。

表2 高應變率下MWNTs/NR復合材料的壓縮彈性模量 MPa

由表2可見，在兩種高應變率下，MWNTs/NR復合材料的壓縮彈性模量的變化趨勢基本相同，均隨MWNTs用量的增大而升高。在MWNTs用量相同時，應變率為3 750～4 000 s-1的壓縮彈性模量高于應變率為2 250～2 500 s-1的壓縮彈性模量，且隨著MWNTs用量的增大，二者的差值不斷增大。這說明MWNTs的加入在一定程度上提高了復合材料的抗變形能力和吸能率，特別是當應變率增大時，這一效果更為顯著。這一規律與準靜態下復合材料的壓縮彈性模量變化一致。

3 結論

（1）隨著MWNTs用量的增大，MWNTs/NR復合材料的壓縮應力-應變曲線更加傾斜，復合材料的壓縮彈性模量和吸能率增大，抗沖擊性能提高。

（2）在MWNTs的用量相同時，MWNTs/NR復合材料的吸能率會隨著應變率的增大而增大，且這種增幅會隨著MWNTs用量的增大而變大，這說明添加MWNTs后，復合材料的抗沖擊性能增強。