簾線/橡膠復合材料多層結構的力學特性及失效形式研究

吳 健，羅 行，郭曉濃，趙悅皓，粟本龍，李 哲，王友善

[哈爾濱工業大學（威海） 橡膠復合材料與結構研究所，山東 威海 264209]

簾線/橡膠復合材料因其優異的力學性能，在輪胎等橡膠制品中得到廣泛應用，但當受到過大的突變載荷時常常發生斷裂失效。由于實際橡膠制品中所采用的簾線搭接方式的差異和搭接段間距等工藝參數的不同，通常會導致不同的復合材料強度和失效形式。

近幾十年來，國內外對橡膠復合材料力學性能已開展了較多的研究，也取得了一些成果。張福范[1]利用能量法研究了膠層復合材料接頭的層間應力。張阿盈[2]基于Tsai等人的理論分析方法（TOM方法）又提出了復合材料膠層接頭分析的改進方法，并用于接頭剪應力的分析。J.Whitney[3]結合高階板理論，提出了對于復合材料雙搭接接頭的應力分析方式。W.Leslie等[4]用掃描波長干涉法對復合材料搭接接頭疲勞損傷的研究表明，搭接方式和搭接接頭對材料強度有很大影響。李澄[5]研究了拼接與搭接鋪層對復合材料力學性能的影響。陶永強等[6]揭示了搭接長度對Z銷頭加固的單搭接接頭連接性能的影響。張豐發等[7]提出了一種在拉伸條件下簾線/橡膠復合材料新的失效準則。郭霞等[8]針對復合材料單搭接接頭的拉伸性能進行了有限元建模，分析了不同搭接長度對搭接接頭的應力和破壞模式的影響。

此外，陳想等[9]對簾線/橡膠復合材料的界面粘合性能進行了研究，主要研究了頻率和溫度的影響。李利等[10]對簾線-橡膠力學性能測試開展了研究。可見，目前對于簾線/橡膠復合材料試驗研究主要集中在單一簾線與橡膠的粘合性能。然而，簾線/橡膠復合材料多層結構形式對其失效也有顯著影響。在多層搭接時需考慮到搭接段間距的影響，這方面的相關研究較為欠缺。由于接頭不同搭接形式及多層結構工藝參數對簾線/橡膠復合材料的力學性能有著至關重要的影響，因此，研究搭接段間距對復合材料多層結構的力學性能影響尤為重要。

為此，本工作針對典型簾線/橡膠復合材料結構，開展不同簾線層接頭搭接形式和不同搭接段間距下橡膠復合材料結構的力學行為研究，以揭示其對簾線/橡膠復合材料的失效形式以及強度等力學性能的影響規律，為工程中橡膠復合材料制品的設計與制備提供依據。

1 實驗

1.1 試樣制備

簾線層接頭搭接被廣泛應用于簾線/橡膠復合材料，當簾線增強層的層數較多時，接頭搭接段間距是影響搭接性能的重要因素之一。搭接段間距是指相鄰兩層簾線的搭接重疊部分之間的間距，如圖1所示。基于簾線/橡膠復合材料3層搭接設計結構的基本搭接組合形式包括順型順式、順型逆式和凹型凸型，如圖2所示。

圖1 簾線搭接段間距示意

圖2 3種基本搭接組合形式示意

為研究不同簾線層與橡膠間形成結構的失效狀態，制備3種搭接形式下搭接段間距分別為5，15和25 mm的試樣若干個，搭接長度均為45 mm，試樣尺寸為250 mm×12 mm×6 mm。將試樣按不同搭接結構排布在自制的模具中，然后在平板硫化機上加熱硫化成型，硫化條件為160 ℃/20 MPa×30 min。

1.2 測試方法

采用UH4204GD型高低溫拉伸試驗機在室溫下進行拉伸性能測試，拉伸速率為500 mm·min-1，標距為100 mm，采用定制的氣動夾具進行夾持，拉伸試驗機和氣動夾具分別如圖3和4所示。每種相同參數的試驗重復3次，記錄試驗數據并分析。

圖3 拉伸試驗機

圖4 氣動夾具

2 結果與討論

2.1 力學特性

3種不同搭接方式的試樣在不同搭接段間距下拉伸，所得應力-應變關系曲線如圖5所示。

圖5 不同搭接形式下簾線/橡膠復合材料的應力-應變曲線

從圖5可以看出，簾線/橡膠復合材料的應力-應變曲線均具有較大非線性，3種搭接方式雖在數值上有所不同，但總體變化規律相似。

不同搭接形式下簾線/橡膠復合材料的拉伸強度和拉斷伸長率測試結果如表1所示。

表1 不同搭接形式下簾線/橡膠復合材料的拉伸強度和拉斷伸長率

從表1可以看出：隨著搭接段間距的增大，凹型凸型的簾線/橡膠復合材料拉伸強度下降最明顯，順型順式雖變化不大但仍可體現下降趨勢，而順型逆式受搭接段長度影響變化不明顯；隨著搭接段間距的增大，凹型凸型的簾線/橡膠復合材料拉斷伸長率下降最明顯，順型順式和順型逆式變化不明顯。

綜合來看，搭接形式為凹型凸型的簾線/橡膠復合材料力學性能明顯優于其余2種搭接形式的復合材料。

2.2 失效分析

通過對試驗后的失效試樣進行分析，發現復合材料失效形式主要有3種，如圖6所示。

圖6 簾線/橡膠復合材料的失效形式

不同搭接形式下簾線/橡膠復合材料的失效形式分析結果如表2所示。

表2 不同搭接形式下簾線/橡膠復合材料的失效形式

從表2可以看出：簾線/橡膠復合材料的搭接段間距為5 mm時，3種不同搭接形式的試樣失效形式均為搭接處斷裂；搭接段間距為15 mm時，除順型逆式試樣存在端頭處應力集中斷裂外，其余試樣的失效形式均為搭接處斷裂；搭接段間距為25 mm時，順型順式試樣的失效形式為界面滑脫，順型逆式試樣的失效形式為端頭或搭接處斷裂，凹型凸型試樣出現端頭斷裂或界面滑脫現象。

綜上可見：簾線/橡膠復合材料的搭接段間距為5和15 mm時，試樣失效形式主要為搭接處斷裂，此處的簾線層和橡膠層所受應力最大；當搭接段間距為25 mm時，復合材料易發生界面滑脫和端頭斷裂失效。

3 結論

（1）簾線/橡膠復合材料在不同簾線層接頭搭接形式下的力學行為具有較大非線性，搭接段間距為5 mm時的凹型凸型搭接試樣的綜合力學性能最優。

（2）簾線/橡膠復合材料的簾線層接頭搭接段間距為5和15 mm時，試樣失效形式主要為搭接處斷裂，此處的簾線層和橡膠層所受應力最大；當搭接段間距為25 mm時，復合材料易發生界面滑脫和端頭斷裂失效。