陈亚楠等：玻璃微珠、橡胶粉末填充聚丙烯复合材料吸能特性 ·1499· 的影响. 平稳的平台屈服阶段，最后是很短的压实阶段.模型 刚性粒子选用密度低、强度高和流动性好的空心 如图1所示，其中￡。和σ。分别代表达到压缩平台强 玻璃微珠，柔性粒子选用市场上易见的丁腈橡胶 度(compressive plateau strength)的应变和应力.所以 粉末0川.将这两种材料分别与聚丙烯共混，基于扫 用o.和e。表示曲线上任意相对应的应力和应变点， 描电镜观察其微观形貌，基于单轴压缩试验分析能量 理想材料的吸收能C,可用压缩屈服平台阶段的吸收 吸收过程，基于摆锤冲击试验测定材料的冲击韧性以 能近似表示为 验证材料的吸能能力.其中引用了吸收能、吸能效率 C1=0m‘em (2) 和理想吸能效率对吸能过程进行分析. 1试验 1.1原料 聚丙烯，产自广东省茂名石化厂，牌号为T46F- H;空心玻璃微珠，产自中钢集团马鞍山矿山研究院有 限公司，型号为H40;丁腈橡胶粉末，产自江苏靖江广 胜像素材料厂，型号为GM50 1.2试样制备 空心玻璃微珠和聚丙烯原料以84：16质量比共 图1理想材料的应力一应变曲线 混，丁腈橡胶粉末和聚丙烯以82：18质量比共混.将 Fig.1 Stress sstrain curve of ideal energy-absorption materials 聚丙烯、空心玻璃微珠/聚丙烯、粉末丁腈橡胶/聚丙烯 通过积分应力一应变曲线得到的应变能只能在一 三种体系原料经双螺杆挤出机(Werner&Pfleiderer, 定程度上反映材料对外力的响应速度及所吸收能量的 Type ZSK25)挤出造粒，挤粒温度范围设定为205~ 变化趋势，为更好地说明材料的吸能特性，Miz和 210℃，转速为350r·min,熔融压力为100kPa,熔融 Gruenbaum☒最早在研究泡沫铝压缩吸能特性时提出 温度为208℃.用注塑机注塑成型，压缩试样加工尺 了吸能效率E和理想吸能效率I的概念： 寸为10mm×10mm×4mm,冲击试样加工尺寸为 ods 10mm×15mm×18mm. E=0 (3) 1.3试验方法 采用电子万能试验机（美特斯工业系统中国公 ode 司，型号CMT4000)对聚丙烯、空心玻璃微珠/聚丙烯、 I= C-Gem (4) 粉末丁腈橡胶/聚丙烯三种材料的试样进行单轴压缩 吸能效率E代表吸收能与对应应力的比值，E值 试验，按照国家标准GBT1041一2008进行，试验速度 越大，表示在对应的应力处吸能状态越好：理想吸能效 设置为5 mm*min,最大施加载荷为10kN. 率I表示真实材料与理想材料在达到相同应力一应变 采用塑料摆锤冲击试验机（美特斯工业系统，型 时吸收能的比值，即材料的吸能理想程度，I值越大表 号ZBC1400C)测试各组试件的冲击韧性. 示真实材料与理想材料的接近程度越好，吸能特性也 采用扫描电子显微镜(FEI QUANTA FEG450)观 越接近理想材料.最高理想吸能效率出现在材料的屈 察试样的冲断截面微观形貌. 服阶段，最高吸能效率出现在屈服到强化的拐点区域 2 理论分析 曾斐等圆对这两个指标的应用意义做了进一步评估， 吸能效率用以确定在产品设计阶段的最佳工作应力， 单位体积吸收的能量C可用单位体积的形变功 理想吸能效率用以评估哪种材料的吸能性能较好 表示： C-foda (1) 3 结果及分析 式中，e。为压缩过程的任意工程应变，σ为e所对应 3.1微观形貌 的工程应力 空心玻璃微珠/聚丙烯、粉末丁腈橡胶/聚丙烯的 如果材料在近似恒力的情况下可以吸收大量的能 微观形貌分别如图2(a)和图2(b)所示.观察到玻璃 量，说明材料具有很好的吸能效率.所谓理想材料，是 微珠和橡胶粉末在聚丙烯基体中的分布都比较均匀， 指平台屈服阶段占总体变形阶段的绝大部分，应 均匀体系可以避免因应力不均和变形程度差异引起的 力一应变曲线在经过很短的弹性阶段后迅速进入漫长 局部破坏行为，以便更好地研究力学性能。空心玻璃陈亚楠等: 玻璃微珠、橡胶粉末填充聚丙烯复合材料吸能特性 的影响． 刚性粒子选用密度低、强度高和流动性好的空心 玻璃微珠［8--9］，柔性粒子选用市场上易见的丁腈橡胶 粉末［10--11］． 将这两种材料分别与聚丙烯共混，基于扫 描电镜观察其微观形貌，基于单轴压缩试验分析能量 吸收过程，基于摆锤冲击试验测定材料的冲击韧性以 验证材料的吸能能力． 其中引用了吸收能、吸能效率 和理想吸能效率对吸能过程进行分析． 1 试验 1. 1 原料 聚丙烯，产自广东省茂名石化厂，牌号为 T46F-- H; 空心玻璃微珠，产自中钢集团马鞍山矿山研究院有 限公司，型号为 H40; 丁腈橡胶粉末，产自江苏靖江广 胜像素材料厂，型号为 GM50． 1. 2 试样制备 空心玻璃微珠和聚丙烯原料以 84 ∶ 16 质量比共 混，丁腈橡胶粉末和聚丙烯以 82∶ 18 质量比共混． 将 聚丙烯、空心玻璃微珠/聚丙烯、粉末丁腈橡胶/聚丙烯 三种体系原料经双螺杆挤出机( Werner ＆ Pfleiderer， Type ZSK25) 挤出造粒，挤粒温度范围设定为 205 ～ 210 ℃，转速为 350 r·min － 1，熔融压力为 100 kPa，熔融 温度为 208 ℃ ． 用注塑机注塑成型，压缩试样加工尺 寸为 10 mm × 10 mm × 4 mm，冲击试样加工尺寸为 10 mm × 15 mm × 18 mm． 1. 3 试验方法 采用电子万能试验机( 美特斯工业系统中国公 司，型号 CMT4000) 对聚丙烯、空心玻璃微珠/聚丙烯、 粉末丁腈橡胶/聚丙烯三种材料的试样进行单轴压缩 试验，按照国家标准 GBT 1041—2008 进行，试验速度 设置为 5 mm·min － 1，最大施加载荷为 10 kN． 采用塑料摆锤冲击试验机( 美特斯工业系统，型 号 ZBC1400--C) 测试各组试件的冲击韧性． 采用扫描电子显微镜( FEI QUANTA FEG450) 观 察试样的冲断截面微观形貌． 2 理论分析 单位体积吸收的能量 C 可用单位体积的形变功 表示: C = ∫ εm 0 σ dε． ( 1) 式中，εm 为压缩过程的任意工程应变，σ 为 εm 所对应 的工程应力． 如果材料在近似恒力的情况下可以吸收大量的能 量，说明材料具有很好的吸能效率． 所谓理想材料，是 指平台 屈 服 阶 段 占 总 体 变 形 阶 段 的 绝 大 部 分，应 力--应变曲线在经过很短的弹性阶段后迅速进入漫长 平稳的平台屈服阶段，最后是很短的压实阶段． 模型 如图 1 所示，其中 εp 和 σp 分别代表达到压缩平台强 度( compressive plateau strength) 的应变和应力． 所以 用 σm 和 εm 表示曲线上任意相对应的应力和应变点， 理想材料的吸收能 CⅠ 可用压缩屈服平台阶段的吸收 能近似表示为 CⅠ = σm·εm ． ( 2) 图 1 理想材料的应力--应变曲线 Fig． 1 Stress--strain curve of ideal energy-absorption materials 通过积分应力--应变曲线得到的应变能只能在一 定程度上反映材料对外力的响应速度及所吸收能量的 变化趋 势，为更好地说明材料的吸能特性，Miltz 和 Gruenbaum［12］最早在研究泡沫铝压缩吸能特性时提出 了吸能效率 E 和理想吸能效率 I 的概念: E = ∫ εm 0 σdε σm ， ( 3) I = C CI = ∫ εm 0 σdε σm εm ． ( 4) 吸能效率 E 代表吸收能与对应应力的比值，E 值 越大，表示在对应的应力处吸能状态越好; 理想吸能效 率 I 表示真实材料与理想材料在达到相同应力--应变 时吸收能的比值，即材料的吸能理想程度，I 值越大表 示真实材料与理想材料的接近程度越好，吸能特性也 越接近理想材料． 最高理想吸能效率出现在材料的屈 服阶段，最高吸能效率出现在屈服到强化的拐点区域． 曾斐等［13］对这两个指标的应用意义做了进一步评估， 吸能效率用以确定在产品设计阶段的最佳工作应力， 理想吸能效率用以评估哪种材料的吸能性能较好． 3 结果及分析 3. 1 微观形貌 空心玻璃微珠/聚丙烯、粉末丁腈橡胶/聚丙烯的 微观形貌分别如图 2( a) 和图 2( b) 所示． 观察到玻璃 微珠和橡胶粉末在聚丙烯基体中的分布都比较均匀， 均匀体系可以避免因应力不均和变形程度差异引起的 局部破坏行为，以便更好地研究力学性能． 空心玻璃 · 9941 ·