纤维复合材料力学性能

1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划纤维复合材料力学性能玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能摘要：本文论述了玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能，主要包括材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量和缺口冲击强度。并分析了复合材料力学性能与玻璃纤维含量之间的关系，最后将复合材料与ABS的力学性能进行比较，发现玻璃纤维增强的聚丙烯复合材料可以替代ABS应用于一些受力领域。关键词：玻璃纤维；聚丙烯；力学性能；ABS1.引言聚丙烯是一种综合性能十分优异的热塑性通用塑料，其具有易加工、密度小、生产成本低等特点，所以聚丙烯在家用电器、日常用品包装材料、汽车工业等行业有着广泛的应用，成为近些年来增长速度最快的塑料之一。然而聚丙烯也有一些缺点，比如：抗蠕变性差、熔点较低、尺寸稳定性不好、热变形温度低、低温脆性等，制约了其作为工程受力材料的应用。聚丙烯的一般性能如表1所示1。如果想提高聚丙烯的耐热性和冲击强度，拓宽其应用范围，就应对聚丙烯进行改性2,3。表1聚丙烯的一般性能1Tab.1Thepropertiesofpolypr

2、opylene性能拉伸强度/Mpa断裂伸长率/%弯曲强度/Mpa压缩强度/Mpa缺口冲击强度/洛氏硬度弹性模量/Mpa数据292007005045510809800玻璃纤维增强聚丙烯复合材料(GFRPP)是以热塑性树脂聚丙烯为基体，以长玻璃纤维为增强骨架的材料4，其性能与ABS接近，但价格低于ABS塑料。目前，国内外已对GF增强PP做了大量研究5,6。玻璃纤维增强聚丙稀己广泛应用于汽车零部件、家电行业、飞机制造业等。2.玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能材料的拉伸性能主要包括拉伸强度和拉伸模量。拉伸实验中，试样直至断裂时所承受的最大拉伸应力称为拉伸强度。拉伸模量是指材料在拉伸时的弹性。在PP/GF复合材料中，GF起着骨架结构增强作用，以承担应力和载荷。同时，GF还可以促进PP结晶，起成核剂作用，可在一定程度上提高材料的强度。J.L.Thomason等人7将长度为3mm的玻璃纤维加入到聚丙烯中，当纤维含量不同时，增强复合材料的拉伸性能如表2所示。可以看出，随着玻璃纤维含量的增加，材料的拉伸强度和拉伸模量均明显提高。表2玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的拉伸性能Tab2Tensileprope

3、rtiesofglassfiberreinforcedpolypropylenecomposites玻璃纤维含量/%102530拉伸强度/Mpa拉伸模量/Gpa复合材料中，玻璃纤维在基体中形成三维空间交叉结构，纤维与纤维之间有很多搭接点(如图1所示)，这种交叉结构构成复合材料的骨架。复合材料受到外力作用时，这种骨架结构能有效传递应力，使较大的区域承受外力，提高复合材料的拉伸强度和模量。图1试样断面的SEM照片Fig1SEMfractographofGF/PPcomposite连荣炳等人8制备的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的弯曲性能如图2所示。从图2可以看出，随着GF用量的增加，复合材料的弯曲强度和弯曲模量均呈上升趋势。FuSY等人9的研究也得到相似的结果。这是因为当PP/GF复合材料受到弯曲时，PP树脂会发生塑性屈服，因而GF承受的应力要比PP树脂大得多。这时，纤维周围的树脂就存在一个应力变小的区域，在这个区域中纤维要有一定程度的交迭，才能使其传递外力作用，提高材料的强度。因而PP复合材料的弯曲性能与GF含量有直接关系，即弯曲强度和弯曲模量会随GF用量增加而提高10。图2GF用量对PP复

4、合材料弯曲性能的影响Fig2EffectofglassfibercontentonpropertyofPPcomposite冲击强度KumarKS等人11制备的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的缺口冲击强度如图3所示。从图3可见，复合材料的冲击强度随着GF用量的增加是先增大后减小。这是因为GF在复合材料中起骨架作用，能吸收主要的冲击能量。当GF用量较低时，随着GF用量的增加，这个骨架越牢固，冲击性能越好，且当材料受到冲击时，GF起能量传递作用，从而使复合材料的冲击强度明显提高。但当GF用量继续增加时，其冲击性能反而降低，这可能是由于GF的用量过高，材料的流动性变差，在成型中GF断裂造成的，StadeK12、ChiuWY13、FisaB14等的研究都得出同样的结论。而且GF的用量进一步增加后，GF之间的相互作用增强，导致其平均长度下降，降低了GF的增强效果15。同时GF用量过多会导致部分纤维得不到充分浸渍，基体与纤维界面结合性能变差16。从而导致复合材料的冲击强度下降。图3GF用量对PP复合材料缺口冲击强度的影响Fig3Effectofglassfibercontentonnotchedimp

5、actstrengthofPPcomposite3.玻璃纤维增强聚丙烯复合材料与ABS的力学性能比较综上所述，GF对PP有增强作用，可在一定程度上提高PP的力学性能，但用量过大会导致其力学性能的破坏。将玻璃纤维增强聚丙烯复合材料与ABS的力学性能进行对比，结果如表3。表3GF/PP复合材料与ABS的力学性能对比Tab4ThemechanicalpropertiescomparisionofGF/PPcompositesandABS性能拉伸强度/Mpa拉伸模量/Gpa弯曲强度/Mpa弯曲模量/Gpa压缩强度/Mpa缺口冲击强度/KJ/m230%玻璃纤维增强聚丙烯ABS42626992728860220从表中可以看出，GF/PP复合材料的力学性能与ABS相当，但其成本相对ABS较低。因此，在一些领域，GF/PP复合材料可以替代ABS工程塑料作为结构件使用。4.结论随着复合材料中GF含量的增加，玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量均呈上升的趋势，而缺口冲击强度随GF含量的增加先上升后下降，当GF含量为30%时，复合材料的缺口冲击强度最大。将30%玻璃纤维增强聚丙

6、烯的机械性能与ABS比较发现GF/PP复合材料的力学性能与ABS相当。参考文献1徐同考.塑料填充改性实用技术M.北京：中国轻工业出版社，XX.2K?pplmayrT,MilosavljevicI,AignerM,etal.Influenceoffiberorientationandlengthdistributionontherheologicalcharacterizationofglass-fiber-filledpolypropyleneJ.PolymerTesting,XX,32(3):535-544.3LiuY,DengCL,ZhaoJ,etal.Anefficientlyhalogen-freeflame-retardantlong-glass-fiber-reinforcedpolypropylenesystemJ.Polymerdegradationandstability,XX,96(3):363-370.4ZhouSH,XuZY,LiuX,GaoY,DongQZ.Effectoftetradecylmethylacrylate-maleicanhydridecopo

7、lymeronthemechanicalpropertiesofglassmatreinforcedpolypropylenecompositesJ,Polymers&PolymerComposites.XX,13(4):403-413.5张宁，李忠恒，陶宇，等长玻纤增强聚丙烯复合材料的研究J塑料工业，XX，34(12):29326LiQ,ZhengG,DaiK,etal.-transcrystallinitydevelopedfromthenovelringednucleiintheglassfiber/isotacticpolypropylenecompositeJ.MaterialsLetters,XX,65(14):2274-2277.7ThomasonJL,VlugMA.Influenceoffibrelengthandconcentrationonthepropertiesofglassfibre-reinforcedpolypropylene:4.ImpactpropertiesJ.CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturin

8、g,1997,28(3):277-288.8连荣炳,徐名智,李强,等.玻纤增强聚丙烯复合材料性能研究J.塑料科技,XX,36(8):40-44.9FuSY,LaukeB,M?derE,etal.Tensilepropertiesofshort-glass-fiber-and1.拉伸力学性能采用试件型式和尺寸主要依据纤维增强塑料拉伸性能试验方法中规定的原则确定，2.弯曲性能3.轴向压缩性能棕榈纤维/聚丙烯复合材料力学性能研究随着环境意识材料的提出，天然纤维由于具有环境友好、生物可降解等特性而备受关注，1而天然纤维增强聚合物基复合材料具有价廉、质轻等优势，其研究与开发力度日益加强。因此，天然纤维复合材料将在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。2近年来，相继从植物中开发了香蕉叶纤维、菠萝叶纤维、构树叶纤维和棕榈纤维等。香蕉纤维粗短，其可纺性较其他麻类纤维差，但易于染色，适于纺中高档纱；菠萝叶纤维较柔软、强度大而伸长小，其可纺性能和成纱质量介于亚麻与黄麻之间；构树叶纤维光泽柔和、颜色洁白、有丝质外观，且吸湿性好，该纤维制成的织物将会有较好的穿着舒适性，其物理3性能均表明该纤维具有较好的可纺

9、性。棕榈叶纤维强度高、断裂伸长率较大，约是剑麻纤3维和菠萝叶纤维的46倍，初始模量与菠萝叶纤维接近。棕片纤维刚度、强度、柔韧性适4中，是一种较理想的骨架材料。主要可用作垫材、缓冲材料、5包装材料、过滤材料等。棕树是热带、亚热带作物，在我国的南方，棕树到处都有，是一种廉价的纤维资源。但是，长期以来棕榈用来制作蓑衣和棕绳，没有得到充分利用。目前已对棕榈纤维的理化性能6有了初步研究。棕榈纤维不受化学腐蚀作用的影响，并能在广泛的温度范围内抵抗不同强度的酸、碱及其类似物质的腐蚀作用。单根棕纤维是由许多棕纤维细胞紧密排列而成的，杂细胞极少，纤维细胞之间结合非常紧密，故在宏观上表现出整体性，不易分解或拉断。棕纤维细胞的宽度一般为十几微米，长度从几百微米到几千微米不等，壁腔比约为，韧性良好，故棕纤维在宏观上也具有极好的弹性及韧性，甚至弯曲180也不会折断。本文利用棕榈纤维优良的力学性能，将其作为增强材料添加到聚丙烯基体中制备成复合材料，并对其相关参数影响棕榈纤维/聚丙烯复合材料力学性能进行研究。1实验原料和设备实验原料棕榈纤维；聚丙烯。实验设备电子天平：EAXXA上海精天电子仪器有限公司；平板硫化机：XLB-400X400X

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