當(dāng)下，消費者對電子產(chǎn)品的追求已超越單純的功能性，轉(zhuǎn)向更極致的審美體驗與更可靠的使用品質(zhì)。超薄筆記本、平板電腦、智能手機(jī)等設(shè)備不僅需要輕薄便攜，更要堅固耐用。
聚碳酸酯（PC）及其復(fù)合材料因其優(yōu)異的綜合性能，已成為高端電子產(chǎn)品外殼的首選材料。然而，該復(fù)合材料在服役時極易受到較強(qiáng)的沖擊載荷，因此，掌握纖維增強(qiáng) PC 復(fù)合材料在寬應(yīng)變率范圍內(nèi)的力學(xué)行為特征和失效機(jī)理顯得尤為重要。
本文使用注塑成型工藝制備玻璃纖維增強(qiáng) PC 復(fù)合材料，在 0.001～ 1000 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)開展纖維方向不同的玻璃纖維增強(qiáng)PC復(fù)合材料的拉伸力學(xué)行為實驗研究，并結(jié)合掃描電鏡對材料的失效機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)分析。
01樣品制備
實驗采用與商業(yè)化電子產(chǎn)品外殼相同的制備工藝——注塑成型，確保材料微觀結(jié)構(gòu)與實際產(chǎn)品一致。材料體系為短玻璃纖維增強(qiáng)PC復(fù)合材料，玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，纖維長度控制在0.1-0.2mm。
制備的平板試樣厚度控制在2.0mm，隨后按0°（流動方向）、45°和90°（垂直流動方向）三個方向切割成標(biāo)準(zhǔn)測試試樣，模擬外殼注塑成型后不同位置的纖維取向狀態(tài)。
圖2 拉伸試件的加工及試件尺寸（單位：mm）
02評價方法設(shè)計
不同應(yīng)變率下的拉伸實驗均在室溫下進(jìn)行。準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實驗在電子萬能材料實驗機(jī)上（圖3）開展，試件標(biāo)距段長度為 7 mm，因此，設(shè)置拉伸速率為 0.007 mm/s。
圖3 25t電子萬能試驗機(jī)
中應(yīng)變率拉伸實驗設(shè)備為高速拉伸實驗機(jī)（圖4），設(shè)置拉伸速率為 7 mm/s。
圖4 高速拉伸實驗機(jī)
動態(tài)拉伸實驗在分離式霍普金森桿裝置（見圖 5）上開展。動態(tài)拉伸實驗中，采用高強(qiáng)度粘膠將試件粘貼于入射桿和透射桿之間，氣室中的壓縮氣體推動炮管內(nèi)圓環(huán)管，圓環(huán)管撞擊入射桿端部的法蘭盤，在入射桿內(nèi)部產(chǎn)生拉伸應(yīng)力波。當(dāng)應(yīng)力波傳遞到試件時，部分應(yīng)力波通過試件標(biāo)距段后向透射桿傳遞，另一部分應(yīng)力波則以反射波形式沿入射桿傳回。通過粘貼于入射桿和透射桿上的電阻應(yīng)變片記錄入射波、反射波和透射波的應(yīng)變信號。
圖5 霍普金森桿裝置
03結(jié)果分析
3.1 應(yīng)變率敏感性
為方便表示，將玻璃纖維方向為 0°、45°和 90°的試件分別編號為 T-0、T-45 和 T-90。 T-0、T-45 和T-90 試件在 0.001～1000s-1范圍內(nèi)的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線如圖6所示。由圖 6可知，玻璃纖維方向不同的試件均具有較強(qiáng)的應(yīng)變率敏感性，表現(xiàn)為隨著應(yīng)變率的升高，拉伸強(qiáng)度和破壞應(yīng)變均增大。
圖6 玻璃纖維方向不同的玻璃纖維增強(qiáng) PC 復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線
3種試件在不同應(yīng)變率加載下的拉伸強(qiáng)度和破壞應(yīng)變見圖7。統(tǒng)計圖7中3種試件的拉伸強(qiáng)度和破壞應(yīng)變數(shù)據(jù)可知，當(dāng)加載模式由準(zhǔn)靜態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邞?yīng)變率加載時，試件斷裂失效模式由脆性斷裂逐漸向韌性斷裂轉(zhuǎn)變。
圖7 玻璃纖維方向不同的玻璃纖維增強(qiáng) PC 復(fù)合材料在不同應(yīng)變率下的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線
在同一應(yīng)變率下，玻璃纖維方向為 0°的試件的拉伸強(qiáng)度高于另外兩種試件，而破壞應(yīng)變低于其他兩種試件。其中, 同一應(yīng)變率下，玻璃纖維方向為 45°和 90°的試件的拉伸強(qiáng)度和破壞應(yīng)變均較為接近，說明玻璃纖維方位角從 0°增至一定角度后再繼續(xù)增大對試件的拉伸強(qiáng)度和破壞應(yīng)變的影響不明顯。
3.2 微觀損傷機(jī)理
分析圖8分別對比了3種玻璃纖維增強(qiáng)PC復(fù)合材料在 0.001～1000 s-1加載區(qū)間內(nèi)拉伸斷裂后的斷口微觀形貌。從圖8中可觀察到，短玻璃纖維增強(qiáng) PC 復(fù)合材料中玻璃纖維的角度不完全相同，主要是因為短玻璃纖維質(zhì)量極輕，注塑方法只能控制大部分玻璃纖維為同一方向，后續(xù)研究可通過調(diào)節(jié)短玻璃纖維注塑速率等改善這一問題。
圖8 應(yīng)變率分別為 0.001、1 和 1000s-1時玻璃纖維增強(qiáng) PC 復(fù)合材料拉伸斷口的微觀形貌
圖8(a)～圖8(c) 顯示，在 0.001s-1加載速率下，3 種試件拉伸斷口處 PC 基體表面均較為平整，試件整體表現(xiàn)為脆性斷裂，主要存在纖維拔出、纖維斷裂、基體脆性斷裂、纖維與基體脫粘 4 種失效模式。
在圖8(d)～圖8(f) 中，3 種試件的拉伸斷口在1s-1加載速率下與 0.001s-1加載速率下相似，損傷模式均存在纖維拔出、纖維斷裂、基體脆性斷裂、纖維與基體脫粘 4 種失效模式。
圖8(g)～圖8(i) 顯示，在 1000s-1加載速率下，3 種試件的斷口形貌與準(zhǔn)靜態(tài)加載下有明顯不同，拉伸斷裂失效模式更接近于塑性斷裂，表現(xiàn)為斷口面參差不齊，試件主要表現(xiàn)出纖維拔出、纖維斷裂、基體塑性變形、基體塑性斷裂、纖維與基體脫粘 5 種失效模式。
與準(zhǔn)靜態(tài)加載下纖維方向為 90°的試件的斷口相比發(fā)現(xiàn)，圖8(i) 中試件基體產(chǎn)生明顯的塑性變形，基體起主要承載作用。相對于準(zhǔn)靜態(tài)拉伸，動態(tài)拉伸過程可以認(rèn)為是一個絕熱過程，試件在短時間內(nèi)發(fā)生急劇變形，產(chǎn)生的熱不能及時地傳導(dǎo)至周圍環(huán)境中，因此，試件變形區(qū)域的溫度升高。
綜上所述，在1000s-1 的高應(yīng)變率加載下，玻璃纖維增強(qiáng) PC 復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和破壞應(yīng)變較準(zhǔn)靜態(tài)加載時出現(xiàn)大幅增大的主要原因是：高應(yīng)變加載下試件發(fā)生絕熱溫升，溫度的上升導(dǎo)致 PC 基體軟化，塑性變形程度加深，纖維在拔出過程中與 PC 基體間的黏附力增強(qiáng)。
04結(jié)論
(1) 玻璃纖維增強(qiáng) PC 復(fù)合材料具有顯著的應(yīng)變率敏感性，隨著應(yīng)變率的增加，材料的拉伸強(qiáng)度和破壞應(yīng)變均增加。
(2) 0°方向（即沿加載方向）的玻璃纖維能夠有效提升玻璃纖維增強(qiáng) PC 材料的抗拉強(qiáng)度，45°和90°的玻璃纖維對材料拉伸強(qiáng)度和破壞應(yīng)變增強(qiáng)效果不明顯，PC 基體在拉伸過程中起主要承載作用。
(3) 玻璃纖維增強(qiáng) PC 復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)和中應(yīng)變率加載下主要表現(xiàn)出纖維拔出、纖維斷裂、基體脆性斷裂以及纖維與基體脫粘 4 種失效模式；在高應(yīng)變率加載下主要表現(xiàn)出纖維拔出、纖維斷裂、基體塑性變形、基體塑性斷裂、纖維與基體脫粘 5 種失效模式。
(4) 在高應(yīng)變率加載下，因絕熱溫升現(xiàn)象導(dǎo)致 PC 基體軟化，黏附力和塑性變形增強(qiáng)，在纖維拔出、斷裂以及脫粘過程中，纖維/基體界面強(qiáng)度增加。此外，PC 基體的塑性變形是造成高應(yīng)變率下玻璃纖維增強(qiáng) PC 復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和破壞應(yīng)變大幅提升的主要原因。
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