玻璃纖維含量和直徑對復(fù)合材料力學(xué)性能影響研究

胡翠平 趙艷閣

（青島工學(xué)院 266300）

1 引言

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）具有很多優(yōu)異的性能，在很多領(lǐng)域成為一種很受歡迎新型結(jié)構(gòu)材料。GFRP是以環(huán)氧樹脂作為基體，通過填充玻璃纖維而制成的復(fù)合材料。玻璃纖維是一種性能優(yōu)良的非金屬材料，種類較多，其絕緣性能、抗腐蝕性能好、力學(xué)強(qiáng)度較高，通常作為環(huán)氧樹脂的增強(qiáng)材料使用。玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂由合成樹脂和玻璃纖維經(jīng)復(fù)合工藝制成，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、電絕緣性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國防科技、航天航空、建筑、交通及智能電網(wǎng)自動化等領(lǐng)域[1～2]。

纖維復(fù)合材料本身具有強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)特性，是一種多相體材料，其力學(xué)性能不僅取決于各組分材料的性能，同時也取決于材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性，如纖維的體積含率、分布規(guī)律等[3]。纖維是復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，是反映復(fù)合材料性能的主要成分，纖維的強(qiáng)度在復(fù)合材料性能上起著至關(guān)重要的作用，本文從纖維含量變化情況入手研究纖維含量對復(fù)合材料性能的影響。

2 數(shù)值模擬

利用有限元軟件來建立細(xì)觀模型分析纖維含量對玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能的影響[4]，五個細(xì)觀模型的纖維含量分別為5%（包含5根纖維）、15%（包含15根纖維）、25%（包含25根纖維）、35%（包含35根纖維）、45%（包含45根纖維），玻璃纖維彈性模量為72GPa，環(huán)氧樹脂基體彈性模量為3.79GPa，模型如圖1。

圖1 體積含量是15%的模型

從圖2中得到，在同一加載情況下，隨著模型中纖維體積含量的增加，模型所承受的應(yīng)力也越大，這驗(yàn)證了纖維是復(fù)合材料中的增強(qiáng)體，對復(fù)合材料性能起至關(guān)重要作用，說明纖維較基體先破壞，當(dāng)最弱的纖維破壞后，荷載由其他完好纖維繼續(xù)承擔(dān)，這樣如果纖維體積含量小，即使斷裂少量的纖維，整個模型也會受到很大的影響。在保證具有足夠傳遞荷載的基體含量情況下，纖維含量越多，所能承受的極限荷載值越大，模型越不容易產(chǎn)生斷裂。

還模擬了當(dāng)纖維體積含量相同但纖維直徑不同的情形，看纖維直徑是如何影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。從圖3中我們得到，在同一加載情況下，同纖維含量的復(fù)合材料模型的應(yīng)力應(yīng)變曲線在彈性階段基本相同，纖維直徑大的復(fù)合材料模型在同一應(yīng)變下的應(yīng)力比纖維直徑小的復(fù)合材料模型的應(yīng)力稍微小一點(diǎn)，幾乎可以忽略二者的誤差，說明無論直徑大小，只要纖維含量相同模型在彈性階段的彈性模量基本相同。隨著纖維直徑的變化，模型整體彈性模量在加載后期變化明顯。模型應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)生應(yīng)力降時的應(yīng)變不同，纖維直徑越大的復(fù)合材料模型的應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)生應(yīng)力降時的應(yīng)變越大，說明纖維直徑小的復(fù)合材料模型中的纖維較纖維直徑大的模型中的纖維先斷裂。

另外，發(fā)生應(yīng)力降之后各模型的彈性模量之間也有明顯差別，纖維直徑越小的復(fù)合材料模型的應(yīng)力降越小，在發(fā)生應(yīng)力降之后，纖維直徑越小的復(fù)合材料模型彈性模量相對越大。模型的應(yīng)力應(yīng)變曲線的趨勢都始終是增加的，這樣直到最后加載過程完成。所以，復(fù)合材料中的纖維含量相對越高，直徑相對越小更能提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖3 各種含量的模型應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 總結(jié)

（1）經(jīng)過數(shù)值模擬得出隨著纖維的增加復(fù)合材料強(qiáng)度不斷增加，也說明了纖維強(qiáng)度對整個復(fù)合材料的控制作用。

（2）復(fù)合材料中的纖維含量相對越高，直徑相對越小更能提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。