1、1玻璃纤维橡胶复合材料力学性能的研究及有限元分析摘要： 制备硅橡胶和玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件，采用拉伸试验研究试件的失效特点，分析试件的应力-应变曲线，得到试件中纤维的层数对有效模量和拉伸强度的影响，并利用有限元方法对试件进行数值模拟，得到的结果与实验值比较，验证了数值模拟的可靠性。 Abstract： The failure characteristics of silicon rubber and glass fiber silicone rubber composites were studied by tensile test， and the stress-strain curv
2、es of the specimens were analyzed. The effect of the number of fiber layers on the effective modulus and tensile strength of the specimen was obtained. The finite element method was used to simulate the specimens， and the results were compared with the experimental results， which verified the reliab
3、ility of the numerical simulation. 关键词： 玻璃纤维；硅橡胶；复合材料；有限元法 Key words： glass fiber；silicone rubber；composite；finite element method 中图分类号：O343.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）19-0118-03 20 引言 玻璃纤维增强硅橡胶经良好的工艺设计形成玻璃纤维布，有很广泛的应用1。在玻璃纤维-橡胶复合材料这一项研究中，2005 之前是以美国欧文斯-科宁公司2、PPG 和法国圣戈班领先于这个领域。目前，加拿大研发部门研制了一种在冰面防滑
4、的鞋子，这种橡胶鞋的制备即将玻璃纤维埋入强力橡胶中，利用玻璃纤维的刚性佳和橡胶耐磨的特点制成这种防滑鞋，这是玻璃纤维-硅橡胶复合材料的一个用途。近 5 年来，国内巨石集团等玻璃纤维集团起步，我国开始了对玻璃纤维-硅橡胶复合材料的研发，以危良才先生为主要的专家，在研究玻璃纤维复合材料做出了很大的贡献3-6。 本文采用自制的玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件，通过拉伸试验研究分析复合材料的刚度和强度，并利用 ANSYS 有限元分析得到载荷大小、纤维含量、长度、直径等参数对复合材料性能的影响，并与试验值对比，为玻璃纤维-橡胶复合材料的设计提供一定的理论依据。 1 玻璃纤维-硅橡胶复合材料拉伸试验 1.1
5、试件制备 拉伸试验是复合材料层压板静载荷作用下拉伸失效行为的直接表现形式。试验过程制备两种试件，分别是纯硅橡胶试件和玻璃纤维-硅橡胶试件。制备的步骤过程可以分为：称量、混合、静置、抽气、固化、切片。 1.1.1 纯硅橡胶试件的制备 分别称取液体硅橡胶和固化剂，在烧杯中用玻璃棒充分搅拌烧杯内3的液体硅橡胶和固化剂，使之混合均匀；将搅拌均匀的液体缓慢均匀地铺满模具容器，静置，让液体硅橡胶充分流动，使其薄厚均匀；将铺满液体的模具放入抽气装置内进行抽气十分钟，因为液体的填倒和流动会产生气泡，气泡会影响拉伸试验的参数和结果；最后，静置，让其固化至少 5 个小时，打开盖子取出试件；采用冲片机，将复合材料切
6、成哑铃型的试件 1.1.2 玻璃纤维-硅橡胶试件的制备 在一份液体硅橡胶烧杯内加入固化剂，搅拌、填倒和抽气的步骤与硅橡胶的制备一致，待模具内液体硅橡胶没有气泡产生了，将玻璃纤维布放置在液体硅橡胶上，等到液体硅橡胶渗透到玻璃纤维上后，将另外一份液体硅橡胶加入固化剂充分搅拌后填倒入模具内；静置，让其固化。1.2 试验结果分析 1.2.1 玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件的失效特点 纯硅橡胶试件在纵向拉伸下，断裂后的试件如图 1 所示。在试验过程中，我们观察到，硅橡胶本身基体的粘性强度高，裂纹沿垂直于载荷方向在基体中扩散，当某个静载荷面承受能力低于施加的载荷时，发生最终的断裂失效，且撕裂成无规则的断面。
7、试件初始裂纹的位置位于试件强度薄弱的地方，与试件制备的均匀度有关。 玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件的拉伸试验结果如图 2 所示。试验断裂失效的模式为带纤维拔出的纤维脱粘断裂。这是由于硅橡胶基体与纤维之间的粘接强度较弱，裂纹主要沿着界面扩散，表现为在一些薄弱界4面纤维与基体界面剥离和断裂纤维从基体拔出。试验过程可以看到纤维先脱粘，而后橡胶基体出现裂纹，最后断裂，在纤维脱粘后可认为试件已经失效。 1.2.2 应力-应变曲线分析 1.2.2.1 纯硅橡胶试件应力应变曲线分析 利用电子万能试验机，对硅橡胶试件进行拉伸试验，其应力-应变曲线如图 3 所示。从曲线可以看出硅橡胶试件在拉伸载荷作用下呈超弹性变
8、形。把曲线分为 oa、ab 和 bc 三个阶段，过程中观察到：当延伸率小于 300%时，即 oa 阶段为弹性阶段，应力和应变呈线性关系。a 点开始试件内部最为薄弱的部位开始出现裂纹，但并未断裂，拉伸应力和应变还在持续增大，即 ab 阶段为裂纹扩展阶段。b 点试件断裂，即 bc 阶段为断裂阶段。该试件的弹性模量为 0.59MPa，断裂伸长率为 404.05，拉伸强度为 2.34MPa，它的弹性模量为低，拉伸强度高，说明试件软而韧。天然橡胶、顺丁橡胶应力-应变曲线也是类似这种情况。 1.2.2.2 玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件的拉伸应力-应变曲线分析 利用电子万能试验机，对玻璃纤维-硅橡胶复合材料
9、试件进行拉伸试验，其应力-应变曲线如图 4 所示。玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件的拉伸过程可分为 4 个阶段：OA 阶段是复合材料试件的弹性形变阶段。随着变形量增加，拉伸应力急剧上升到 A 点，即最大应力值。AB 阶段是复合材料试件拉伸失效阶段。到达 A 点后，复合材料内的玻璃纤维开始出现脱粘或者断裂，拉伸应力在应变增长极小的情况下大幅度的下降，直到B 点，复合材料内部的大部分纤维断裂或者与橡胶发生脱粘，但是复合材5料外部并没有发生断裂现象。BC 阶段是复合材料屈服阶段。在这个阶段内部大部分纤维已经断裂或者已与橡胶脱粘，硅橡胶和未断裂的玻璃纤维在拉伸时候交联较弱，内部各个点的受力不一样，拉伸应力
10、随应变的增长不规则变化。CE 为硅橡胶的拉伸断裂，当延伸率达到 E 点时候，玻璃纤维硅橡胶复合材料试件完全断裂，断裂口的形状图 2，带纤维拔出的超弹性断裂。 1.2.3 玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件力学性能参数变化 图 5 为玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件拉伸强度随纤维层数变化曲线，图中可以看出随着玻璃纤维层数的增加，拉伸强度随着增大，且呈加速度趋势。由于玻璃纤维具有优异的拉伸强度，在组成玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件之后，其拉伸强度增大。 图 6 为玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件初始弹性模量随纤维层数变化曲线。图中可以看出，随着玻璃纤维层数的增加，试件的弹性模量上升，且趋于平缓。硅橡胶弹性好，但是
11、抗撕裂的强度和刚性都不好，在加入玻璃纤维之后，弹性模量增加明显，说明增加纤维后材料刚度变大，玻璃纤维很好的补强了硅橡胶的在载荷应力下的不足。 2 数值模拟 利用 ANSYS 有限元分析软件计算复合材料试件在拉伸载荷作用下的初始弹性模量。试件有效模量随应变变化如图 7 所示，图中的三条曲线分别代表 1 层、2 层和 3 层纤维试件。图中看出，有效模量随着复合材料应变值的增加变化较小，这与实验结果一致。图 8 为有效模量随复合材料中纤维层数的变化关系曲线，图中看出弹性模量随纤维层数增加呈线6性增大趋势，与图 6 相比，图 8 的线性趋势更明显，原因是因为数值模拟过程的前提是假设橡胶和数值粘合完好，
12、没有脱粘情况发生，而在实际拉伸过程中往往会在纤维和橡胶粘结薄弱部位提早发生脱粘。但将图7、图 8 与试验结果进行比较，两者的趋势一致，说明数值模拟的可靠度较高，可用作将来对复合材料更深层次的分析，提供理论依据。 3 结论与建议 3.1 结论 本文对玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件进行拉伸实验及其数值模拟，得到以下结论： 玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件在拉伸载荷的作用下主要表现为带纤维拔出的纤维脱粘断裂。 玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件在拉伸载荷作用下的应力应变曲线分为 4 个阶段：弹性形变阶段、拉伸失效阶段、复合材料屈服阶段、复合材料拉伸断裂阶段。 玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件拉伸强度随纤维层数增加而
13、呈非线性增大。 玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件有效模量随纤维层数增加而增大。 玻璃纤维-硅橡胶复合材料试件拉伸初始阶段有效模量随应变增加而增加。 3.2 建议 玻璃纤维-硅橡胶复合材料在拉伸载荷作用下，黏结界面是薄弱部位，所以在复合材料设计中，提高黏结强度可以提高复合材料整体强度；纤7维层数的增大可以提高玻璃纤维-硅橡胶复合材料的强度，特别是层数越多增大地越明显，但同时增加纤维后试件的有效模量也增大，即材料刚度变大，玻璃纤维很好的补强了硅橡胶的在载荷应力下的不足，但这意味着材料变硬，在一些韧性需求大的场合不适用。 参考文献： 1张增浩，赵建盈.高氧硅玻璃纤维产品的发展和应用J.高科技纤维与应用，2007，3（6）：30-34. 2于海琴，王金刚.短纤维增强橡胶复合材料研究进展A.材料科学与工程，2002，20（2）：287-289. 3危良才.国内外玻璃纤维制品生产现状及发展动向J.纤维复合材料，2005，22（2）：61-66. 4危良才.我国玻璃纤维增强塑料的应用与发展J.新材料行业，2012（6）：56-58. 5刘洪涛，周彦豪.有机短纤维增强橡胶复合材料研究进展J.高分子材料科学与工程，2004，20（3）：41-46. 6刘洪涛，周彦豪.橡胶化学接枝改性的研究进展J.特种橡胶制品，2005，17（3）：58-62.
