梯度材料中兩種不同的組分濃度在材料的厚度上呈梯度變化,引起材料的性能也具有特殊性。研究表明,具有相同組成的高聚物梯度材料與常規(guī)共混或共聚均質(zhì)材料相比,具有較高的力學性能,較寬的阻尼峰[4-5]。而且梯度中兩種組分的性質(zhì)相差越大,其性能提高愈顯著。例如[6]較軟的聚2-氯乙基丙烯酸酯(PClEA)與較硬的甲基丙烯酸酯(PMMA)形成的梯度聚合物與普通的PClEA/PMMA共混物相比,機械性能和斷裂伸長率顯著提高,而較硬PMMA與較硬苯乙烯(PS)形成的梯度材料與相同組成的PM-MA/PS共混物相比,機械性能差別較小。

不同類型的梯度材料,研究方法有所不同,對于無機/無機梯度材料,其研究思路是[7]:首先根據(jù)實際使用要求,利用材料的各個組分的物性參數(shù),對材料內(nèi)部組成和結構的梯度分布進行設計,找出具有最佳物理性能的梯度結構,然后根據(jù)設計結果加工出相應的材料。而對于高分子梯度材料的研究,對材料的結構和性能的研究大多采用定性方法。很少用定量的理論探究梯度材料結構和性能之間的關系。

環(huán)氧樹脂(EP)是一種硬質(zhì)塑料,聚氨酯(PU)通常用做彈性體。本文選用硬質(zhì)的EP和軟質(zhì)的PU為組分制備梯度材料。在前期文章中[8],我們報道了EP/PU梯度材料制備和產(chǎn)品結構。本文在前期工作的基礎上,研究了EP/PU梯度材料的彎曲性能,并通過有限元法,分析了梯度材料在彎曲狀態(tài)下下的應力分布,從理論上探討材料結構與機械性能之間的關系。

1　實驗部分

1·1　主要原料及儀器

環(huán)氧(EP): E-51,環(huán)氧值為0·51 eq/100g,岳陽石化廠;甲苯二異氰酸酯(TDI): 2, 4-TDI/2, 6-TDI=80∶20,天津化學試劑三廠;三官能團聚丙醇(PPG): 330,Mn=3 000 g/mo,l天津石化公司;苯酚:分析純,上海試劑三廠; 4, 4′-二氨基-二苯基甲烷(DDM):化學純,上海試劑三廠。變頻微波爐:工作頻率2 145 GHz,輸出功率100~1 000W。

1·2　實驗方法

1·2·1　苯酚封端的異氰酸酯預聚物(PU)的合成

先將PPG 330在100℃、1 333 Pa下減壓3 h脫去水分。稱取定量的TDI加入到裝有CaCl2干燥管冷凝管、N2導管、機械攪拌器的三口燒瓶中,然后將除去水的PPG 330 (NCO∶OH=2∶1)滴加到燒瓶中,在80℃下保溫3 h,然后按計量比加入苯酚(OH∶NCO=1∶1),體系升溫至110℃續(xù)反應6 h,得到PU。

1·2·2　EP/PU梯度材料的制備

將一定配比的EP /PU和交聯(lián)劑DDM混合物溶于二氯甲烷中,制成65%的溶液,倒入聚四氟乙烯模具中,先在280W的微波下照射5 min,待溶劑完全揮發(fā)后再繼續(xù)照射15 min,然后用于下一次涂模,每層固體的含量、照射時間均相同,待全部涂完后,再用420W的微波繼續(xù)照射30 min,冷卻后取出。本實驗共制備3、5、7、9、11層5種梯度材料, EP與PU總質(zhì)量比為10∶10。其組成見表1。

1·2·3　力學性能測試

樣品的力學性能測試采用深圳市新三思(SANS)TAS-10萬能材料試驗機。彎曲和拉伸速度均為2 mm/min。每個試樣取5根樣條,取其平均值作為實驗值。泊松比(ν)利用YJB·IA型電阻應變儀,測定橫向應變,再與縱向應變相比得到。

2　結果與討論

2·1　EP/PU梯度材料的彎曲性能

彎曲性能測試時, EP層為底面, PU層為頂面,利用三點彎曲法測定。圖1是不同層數(shù)梯度材料的彎曲強度和彎曲模量。從圖1中可以看出,梯度層數(shù)越多,彎曲強度越大,其中11層梯度的彎曲強度最大。當梯度材料材料承受彎曲壓力時,各層所承受的應力是不同的,其中頂端承受壓應力,底面承受拉應力,當某一層所承受的力超過其最大負荷,材料便開始發(fā)生斷裂。在實驗過程中發(fā)現(xiàn),梯度材料材料層數(shù)越多,其強度越大。圖1結果顯示, EP/PU梯度材料的彎曲模量隨層數(shù)的增加也逐漸增加,但增幅不大。3層材料的模量為1·08 GPa, 11層梯度材料的模量為1·38 GPa,增幅為0·3 GPa。

均質(zhì)材料的彎曲強度為37·2 MPa,彎曲模量為1·10 GPa,高于三層梯度,接近于五層梯度材料,但低于7, 9, 11層梯度材料。

2·2　EP/PU梯度材料彎曲狀態(tài)下的應力分布

為了進一步考察梯度結構的材料在彎曲狀態(tài)下的受力情況,采用有限元法模擬梯度材料的受力過程,利用ANSYS有限元程序求解EP/PU梯度材料的應力大小及分布情況,取梯度材料縱切面的二分之一進行分析,采用2D-4節(jié)點平板分析模型,如圖2所示,體系各層各向同性,假定彈性力學參數(shù)如泊松比,彈性模量等不隨受力時間而變化。

設定PU和EP成分沿Y方向變化,底面為EP層,頂面為純PU層,沿低面到頂面, PU逐漸增加,各種材料的尺寸相同, EP層和PU層厚度均分別固定在2mm,梯度層厚度為9mm。最左側X和Y方向的位移固定,右端施以沿Y軸正方向100 N的力。計算所需的材料性質(zhì)參數(shù)源于表2。

在FEA分析中,最左端部分代表真實材料的中平面,即材料彎曲過程中實際受力點。因此著重考察該處的應力分布。圖3為EP/PU均質(zhì)材料的應力分布圖,Sx為主應力,SEQV為Von Mises等效應力。從圖中可看出:均質(zhì)材料的Sx呈線性分布,由底層到頂層,由拉應力逐漸變?yōu)閴嚎s應力。

圖4、圖5分別為各種不同梯度材料材料的左側在受力狀態(tài)下的沿厚度方向應力分布圖,其中圖4為主應力Sx,圖5為各部位的VonMises等效應力SEQV。從圖中可看出,不同層數(shù)的梯度材料應力分布狀態(tài)相同,底端Sx為拉應力,隨PU含量上升,拉應力逐漸減小,在中間層過渡為壓應力。整個材料的最大拉應力位于最底端EP層,最大壓應力靠近PU層,相對于拉應力,壓應力的值要小得多。梯度材料的各點的總應力值SEQV從EP層至PU層也是逐漸減小,每層應力與其強度和模量成正比,強度和模量大的層承受的應力大,強度和模量小的層承受壓力也小,因此在梯度材料材料中,應力分布是“按勞分配”,即強度大的部位承受的應力也大,同時梯度層越多,性能變化越緩和,應力分布與材料性能匹配越好,力的這種分布使得材料發(fā)生塑性形變而非脆性斷裂,因此材料的強度增加。

材料中某點應力與該點材料強度之比反映該處承受載荷的能力,若二者比值越小,說明材料承受外力能力越強。由于Sx在EP側為拉應力,在材料斷裂中起主要作用,因此本文以Sx與材料的拉伸強度之比作為衡量標準。均質(zhì)材料各個部位的強度相同,其最大拉應力位于最外層,為11·9MPa,從表2可知,m(EP) /m(PU) =10/10的EP/PU材料拉伸強度為21·1MPa,均質(zhì)材料最大應力強度比為0·47。3、5、7、9、11層五種梯度材料的最大應力強度比位于離EP表面2 mm,分別為0·65, 0·50, 0·27, 0·27,0·27,其中三層梯度材料應力強度比高于相同組成的均質(zhì)材料,五層接近均質(zhì)材料, 7, 9, 11層的應力強度比均低于均質(zhì)材料。應力強度比值與實際彎曲實驗結果比較吻合,即梯度層數(shù)越少,材料最大的應力強度比值越大,在彎曲過程中越容易斷裂。

對于7, 9, 11三種EP/PU梯度材料,雖然在離EP表面2 mm處應力強度比值比均為0·27,但9層梯度材料與7層相比,在3·8~5·6 mm處, 7層梯度材料應力強度比值為0·27, 9層為0·044,因此9層梯度材料的彎曲強度大于7層。對于11層與9層相比,在離EP表面0~5·8 mm之間應力強度比是相同,只有在6 mm附近出現(xiàn)微小差別,應力強度比值比分別為0·19和0·21,因此9層和11層梯度材料彎曲強度值相差不大。

3　結論

各種不同梯度材料其彎曲強度和彎曲模量隨梯度層數(shù)的增加而增加。通過有限元法對各種梯度材料的應力分布狀態(tài)進行分析,結果發(fā)現(xiàn),在EP/PU梯度材料中,應力的分布與各層材料承受的強度相匹配,即應力大的部位材料的強度也越大,因此隨梯度材料的層數(shù)增加,應力的這種匹配性能越好,整體材料的機械性能越高。此外當梯度層數(shù)超過5層以后,其彎曲強度高于相同組成的均質(zhì)材料。