聚甲基丙烯酰亞胺泡沫平面斷裂韌性實驗研究

楊 洋，陳新文，王 翔，馬思奇，郭 寧

（中國航發北京航空材料研究院，北京100095；航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京100095；中國航空發動機集團材料檢測與評價重點實驗室，北京100095）

聚甲基丙烯酰亞胺（Polymethylimide，PMⅠ）泡沫是一種輕質交聯的多孔硬質泡沫塑料，具有密度低、比強度高、比模量高、熱穩定性良好、易于加工等特點。同時，PMⅠ泡沫可與各種夾層面材復合，能承受高溫復合材料固化工藝，能夠適應各種成型方法[1-4]。由于其優異的性能，PMⅠ泡沫在航空航天、船舶兵器、能源動力、交通運輸、醫療體育器材等領域得到廣泛應用[5-7]。而PMⅠ泡沫的平面斷裂韌性作為一項重要韌性指標，對于結構強度設計具有重要意義。工程結構的突然斷裂通常是由于裂紋的快速擴展或失穩擴展造成的。平面應變斷裂韌性KⅠC表征材料在線彈性范圍內，帶裂紋工作時抵抗裂紋的能力，是材料的一種固有力學屬性，不僅能正確反映材料抵抗低應力破壞的能力，而且還能預判斷裂應力[8-10]。

本文通過針對含有預制裂紋的PMⅠ泡沫CT 試樣，開展了平面斷裂韌性實驗，并獲得了相應載荷-位移曲線。隨后通過超景深三維顯微鏡獲得了CT 試樣斷口的顯微圖和三維形貌，標定了裂紋前緣，并精確測量了裂紋長度。最終通過計算獲得PMⅠ泡沫的平面斷裂韌性KⅠC大小和離散系數，證明了實驗的可行性和可靠性。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料及試樣

實驗所用材料為未經熱處理的PMⅠ泡沫板材，密度為110 kg/m3。參考ASTM D 5045 標準[11]，切割為如圖1 所示的緊湊拉伸（Compact Tension，CT）試樣。圖1（a）為CT試樣示意圖，其中W為100 mm，B為50 mm。圖1 中的缺口首先通過薄鋸片機加工出尖端近似V 形的凹槽，然后使用薄刀片切出V 形凹槽尖端的最后2～4 mm，來預制出一個近似天然的裂紋。預制的裂紋應保證應力在試樣厚度方向上均勻分布，并且在預期的裂紋擴展面兩側對稱分布。機加工的凹槽深與刀片預制裂紋長度之和為a，需滿足0.45＜a/W＜0.55。CT 試樣實物如圖1（b）所示。

圖1 CT 試樣

1.2 實驗過程與方法

平面斷裂韌性實驗按照ASTM D 5045 標準進行。實驗前將待測試樣置于（23±2）℃和相對濕度為（50±10）%的大氣環境下24 h 進行狀態調節。實驗溫度為23 ℃，選取5件已完成裂紋預制的試樣進行PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實驗。將試樣安裝于如圖2 所示的PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實驗加載系統，加載系統由Ⅰnstron 5882 電子萬能試驗機和MTS斷裂韌性實驗夾具組成。以10 mm/min 速率對試樣施加載荷，直到試樣斷裂，停止實驗，同時記錄載荷-位移數據。

試樣斷裂以后，在斷口上測量裂紋長度a。由于試樣為乳白色均質多孔材料，直接通過肉眼難以分辨裂紋前緣。因此采用OLYMPUS DSX110 超景深三維顯微鏡對斷裂試樣斷口區域進行不同高度掃描，并合成三維形貌，來進行裂紋前緣的標定和裂紋長度的測量。

圖2 PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實驗加載系統

2 結果與分析

PMⅠ泡沫平面斷裂韌性試樣的載荷-位移數據如圖3 所示。從圖3 中可見，加載起始時，隨著位移的增加，載荷增加越來越緩慢，變化較小。當試驗機夾頭位移上升到約0.5 mm 時，載荷開始增大，此階段載荷和位移基本呈線性關系，曲線比較平滑，裂紋逐漸張開，直至達到最大載荷。隨后載荷逐漸呈階梯狀下降，加載過程中CT 試樣沿著預制裂紋逐漸斷裂，最終斷為兩截，其破壞模式如圖3 所示。

圖3 PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實驗載荷-位移曲線及其破壞模式

通過超景深三維顯微鏡觀測平面斷裂韌性實驗斷口，如圖4（a）所示。獲得裂紋前緣顯微如圖4（b），并生三維形貌如圖4（c）所示。通過三維形貌圖可以看出，通過刀片預制的裂紋較平緩，而裂紋擴展后的天然裂紋區域具有較大的高低落差，粗糙度明顯大于預制裂紋的區域，因此通過識別平緩區和粗糙區的分界線，可以明晰地標定出裂紋的前緣，繪制出裂紋前緣連線，并測量出裂紋的真實長度。取沿厚度方向從缺口外邊及加載線到裂紋前緣測量5 處，即裂紋前緣的中心三點A2、A3、A4 以及每個表面上裂紋前緣邊緣A1、A5，如圖4（d）所示。五處測量長度分別為a2、a3、a4以及a1和a2，取平均值作為裂紋長度a，即a=（a1+a2+a3+a4+a5）/5。

圖4 平面斷裂韌性實驗斷面測量

參考ASTM D 5045 標準，條件斷裂韌性KQ按照下式進行計算：

式（1）中：KQ為條件斷裂韌性，MPa·m1/2；Pm為最大破壞載荷，kN；B為試樣厚度，cm；W為試樣寬度，cm。

f（x）為有限寬度校正系數，按照下式進行計算：

式（2）中：x=a/W且0.45

按照本方法，只有試樣厚度B、裂紋長度a以及韌帶尺寸（W－a）均滿足下式，實驗結果才是有效的：

式（3）中：KQ為條件斷裂韌性，MPa·m1/2；σy為PMⅠ泡沫屈服強度，MPa，本研究通過采用ASTM D 695 標準[12]，對PMⅠ泡沫拉伸試樣進行實驗獲得PMⅠ泡沫屈服強度，大小為4.34 MPa。

如果材料的形狀能滿足式（3）的要求，則平面應變斷裂韌性KⅠC=KQ。

將實驗獲得的每一件試樣的最大載荷、裂紋長度、試樣厚度、寬度以及裂紋長度代入式（1）（2）中計算獲得條件斷裂韌性，然后通過公式（3）進行有效性判斷，得到每件PMⅠ泡沫CT 試樣的平面斷裂韌性，具體數據如表1 所示。其平均值大小為0.103 MPa·m1/2，離散系數大小為2.66%，顯示實驗結果具有較好的重復性。

3 結論

通過PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實驗加載系統，對含有預制裂紋的PMⅠ泡沫CT 試樣開展了平面斷裂韌性實驗，并獲得了相應載荷-位移曲線。隨后通過超景深三維顯微鏡獲得了CT 試樣斷口的顯微圖和三維形貌，標定了平面斷裂韌性實驗裂紋前緣，并精確測量了裂紋長度。為多孔材料平面斷裂韌性實驗裂紋長度測量提供了新的方法。最終通過計算獲得PMⅠ泡沫的平面斷裂韌性KⅠC為0.103 MPa·m1/2，且離散系數2.66%，充分證明了實驗的可行性和可靠性。

表1 PMⅠ泡沫平面斷裂韌性實驗結果