短切纤维增强酚醛泡沫的力学特性外文翻译资料

 2022-07-29 17:04:05

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短切纤维增强酚醛泡沫的力学特性

沈宏斌，史蒂文·纳特

美国洛杉矶xx（详细通讯地址）南加州大学Engneering学院Merwyn C. Gill基础复合材料中心

2002年10月23日接收，2003年2月25日修订，2003年3月18日发表

摘要

本文对纤维增强酚醛泡沫的力学性能进行了表征，对比了增强前后酚醛泡沫的脆性，压缩性能，剪切性能以及简单夹层梁结构的弯曲性能。与传统酚醛泡沫相比，芳纶纤维增强酚醛泡沫突出表现出更低的脆性，更高的抗开裂性和更多的各向同性性能；而玻璃纤维增强酚醛泡沫更加坚硬。以纤维增强酚醛泡沫为核心的三明治加层结构表现出独特的失效行为，这种失效行为不仅延迟而且完全避免了结构的彻底性崩溃。结合早期的研究，本文论证了增强酚醛泡沫具有作为耐火，坚硬和低成本的工程材料的潜力。

关键词：泡沫，损伤容限，断裂任性，强度，力学性能

1引言

酚醛泡沫具有极好的耐火性能，包括不易燃烧，热释放速率峰值低，燃烧时无滴落、低烟低毒的特性。此外，酚醛泡沫是市面上可购买到的最便宜的泡沫塑料之一，因此，酚醛泡沫在耐火领域受到了极大的重视，如民用建筑材料，民用和军用飞机，以及海军舰艇。然而，酚醛泡沫的结构应用已经严重受到其极度的脆弱性和易碎性的限制，近几十年来，已经做了很多努力使酚醛泡沫更坚韧[1]，但没有一个完全成功。在我们最近的出版物[2]中，短纤维增强酚醛泡沫比未加强的对应泡沫的抗剥离性增加了七倍，采用这种方法增强酚醛泡沫的断裂韧性，并不会牺牲酚醛泡沫的临界耐火性能。在本文中，我们更详尽地描述了酚醛泡沫的机械性能，包括脆性，压缩性能，剪切性能和作为三明治夹层结构的弯曲性能。

目前，聚氯乙烯（PVC）和聚氨酯泡沫是结构应用三明治芯的热门选择，PVC泡沫比大多数其他泡沫强度更高，聚氨酯泡沫拥有中等强度并且易于加工。两种泡沫材料杯广泛应用于三明治夹层材料。然而，聚氨酯泡沫易燃并且在燃烧时会产生有毒的烟雾。虽然PVC泡沫具有相对较低的可燃性，但其在火灾时会释放有毒的含卤气体。在全球范围内，材料的各项标准如可燃性，燃烧烟雾密度和毒性（FST）变得越来越严格，常规的结构泡沫性能上的局限性会成为它们继续被使用的阻碍。因此，本文的一个目的评估酚醛泡沫对比PVC和聚氨酯泡沫作为阻燃、无毒材料在火灾关键结构应用中的可行性。

2实验

2.1材料和试样的制备

所有酚醛泡沫样品均在我们实验室中采用一种专用配方[3]和一项待定的专利技术[4]所制备，这些在前面的出版物中描述过[2]。本文使用的短纤维增强材料是芳纶纤维（Nomexw，DuPont）和Eglass纤维（来自Owens-Corning lnc.）除非另有说明，否则制备的泡沫要达到80kg/m3 (5PCF,磅/立方英尺)的密度要求，在这个密度下，未增强的酚醛泡沫泡孔的尺寸是100毫米。通常，制作一块泡沫板，并去除边缘的板坯从而制备试样，试样的尺寸通过金刚石刀片切割来控制，需要注意的是，我们切割的方向应为泡沫膨胀发起的方向，试样的尺寸选择应遵循ASTM测试的规格。

所有机械实验（脆性试验除外）均在万能试验机（Instron 1330）上以符合ASTM的标准进行。对每个试样进行至少三次重复测试，实验结果的平均值为置信度为95%的试样性能参数。

2．2脆度测试

脆性是用定制的滚筒按照符合ASTM C21标准的方式进行测试。对于每个样品，采用12个长度为25.4毫米的泡沫立方体混合24个长度19.0毫米的橡木立方体。翻滚前和翻滚后的测量样品的精度为1毫升，每次称重之前，每个泡沫立方体用加压空气清洁以除去浮土。测量时转速为标准规定的60rpm，时间为10min，记录每个样本测试前后的图像。

2.3压缩测试

按照ASTM D1621 进行压缩实验。样品尺寸为30mm乘25.4mm，放置于两个不锈钢压板之间，以0.5mm/min的速度施加载荷。压缩模量取为应力-应变曲线的最大初始斜率，强度从最大载荷（在应变范围内）确定。

2.4剪切实验

按照剪切实验工业标准BPS D-124[5]和ASTM C273进行剪切试验。如图一（a），图一显示了测试配置和样品几何。将泡沫样品粘合到具有快速固化环氧粘接剂的不锈钢板材上，引伸计连接到剪切夹，在夹具提供的平面内，测量剪切变形精度高达1微米，应力应变曲线的最陡的初始斜率为剪切模量，应力峰值作为强度值。

2.5四点弯曲三明治弯曲试验

短夹心根据ASTM C393进行四点弯曲。采用铝制面板和泡沫芯与环氧膜粘合在一起制备三明治梁试样，参考文献中已经报道了类似的制造技术[6]，并产生了令人满意的结果。顶部和底部厚度为1mm厚的2024T3铝板，杨氏模量为73.2Gpa，极限拉伸强度为75MPa[7]。测试配置和几何如图2所示，泡沫的剪切性能核心是使用参考文献中的关系确定的[8]。热别指出，泡沫芯的剪切模量参考公式

（1）

其中

L为夹层梁总跨距，mm；

c为夹心厚度，mm；

d 为夹心梁高度，；

b 为夹心梁宽度，；夹心梁的总体顺序性为

C为夹心梁的总体顺序性， 其定义为梁的中跨挠度（mm）与总施力P（牛顿）；

D为夹层梁的弯曲刚度，，其中E为杨氏模量。

泡沫芯的剪切强度为

（2）

其中是最大施加力。公式（1）和（2）来自经典夹层梁理论[9]，这涉及可能导致三明治结构相对于软核在集中负荷情况下实质性错误的一些假设[10,11]。但是，由于从经典理论导出算法的简单形式，所以它们被广泛应用于工程设计与分析[8,12]。施加的力与中跨挠度的曲线图中包含了每个四点弯曲试样，最大初始斜率和最大施加力从图中提取，斜率值的倒数即为C，用于计算泡沫芯的剪切模量，与剪切实验进行结果对比，测试期间的三明治芯的分割采用Keyence VH-8000数字显微镜。

3结果与讨论

3.1脆性

脆性是低密度泡沫的重要特性，通过表面磨损造成的质量损失来测量冲击伤害。对于密度低于100kg/m3的酚醛泡沫，其易碎性如此之高，是生产和应用中出现的严重问题。例如，据报道，酚类泡沫的易碎性使其成为生产区域和粘接区域的困难材料。使用中的震动也导致相应的问题，并限制了其在结构中的应用。酚醛泡沫的易碎性被认为源于材料的脆性[13,14]，而脆弱性问题的一个简单解决方法是提高酚醛泡沫的韧性。脆性实验结果如图3所示，图3表示芳族聚酰胺纤维的添加显著的改善了酚醛泡沫的脆性，普通酚醛泡沫质量损失率为25%，而含10%（质量比）的聚酰胺纤维酚醛泡沫的质量损失率不足5%，易碎性改善了五倍。泡沫在增加韧性的同时也降低了脆性，这个结论是近期对复合材料泡沫断裂行为的研究说支持的，其中纤维的增加导致韧性的明显增强[2],对抗断裂与裂缝的能力得到提高，脆性的降低，还是样品保持原貌的能力得到改善，如图4，芳纶纤维的形状在酚醛泡沫立方体经脆性试验后几乎不变，相比之下，未增强的泡沫样品边缘部分变化显著（图4c）。复合酚醛泡沫的脆性性能也超越商业聚氨酯泡沫的性能，其估计质量损失为11.1%（65kg/m3,4PCF）[18]。当检测玻璃纤维对泡沫的增强时，纤维类型对脆性的影响是显著的。质量损失行为如图3所示，相应的样本图像如图4（d），令人惊讶的是，玻璃纤维增强的泡沫与未增强的没有显著的差异，因此玻璃纤维的增加对对泡沫脆性的改善是不佳的，而聚酰胺纤维则是效果很好的改善物，实验结果与以前的报告一致，芳纶纤维在提高泡沫韧性的时候可以提供和玻璃纤维相似的载荷效果[2]。

3.2压缩

细胞材料的变形行为压缩载荷已被很好地描述和分析[15]。像大多数塑料泡沫一样，酚醛泡沫表现出一种经受多阶段变形响应压缩载荷。在图5，初始部分显示压应力 - 应变响应（菌株，20％）。这是与工程应用最相关的变形响应的部分，并包含压缩模量的关键参数和力量。几个压缩测试的数据是总结在表1中。当压缩力平行施加时发泡方向，酚醛泡沫的模量5％重量芳族聚酰胺纤维略低于未加强的对手，但力量更高。添加更多芳族聚酰胺纤维（10％重量）提高了模量，但是它是不超过未加强泡沫的模量。然而，玻璃纤维添加剂显示出更大的提高压缩属性。加入5％（重量）玻璃纤维导致模量和强度的适度增加酚醛泡沫。当负载加倍至10％重量时，模量上升到未加强的几乎两倍泡沫，这伴随着31％的增​​长强度。

玻璃纤维增​​强压缩效果性能超过芳族聚酰胺纤维的性能，类似据报道拉伸性能的趋势[2]。虽然这样现象可能部分归因于相对较高与芳纶Nomewx相比​​，玻璃纤维的刚度纤维[16],主要原因是玻璃的程度较高沿着发泡方向的纤维取向。这个论点受到力的压缩试验的支持垂直于发泡方向施加。在这些测试中，复合泡沫显示反向趋势 - 芳纶纤维增强比玻璃纤维更有效横向载荷。泡沫性能的变化轴向和正交加载方向反映了差异纤维取向，并因此存在各向异性为这项研究制造的酚醛泡沫。吉布森和阿什比[15]指出，大多数泡沫，特别是那些通过开模工艺生产的那些都是各向异性的发泡和横向。各向异性可能来自两个独立因素，结构和材料。使用细长的立方泡沫细胞模型，它们导出了杨氏模各向异性比的依赖性单独的结构各向异性，并发现了

（3）

其中其中是测量的泡沫的杨氏模量平行于发向，是杨氏垂直于发泡方向的模量，R是形状各向异性比，使用上述框架和模量计算泡沫的各向异性比例，并列出如表1所示，芳族聚酰胺纤维增强酚醛泡沫几乎是各向同性的，，E接近1，而其它泡沫体基本上是各向异性的。该聚氨酯泡沫细胞的形状各向异性比报道约为1.2 [15]，并将此R值插入

式（3）中，为1.82。这个估计接近了测量值报告在表1中，表明聚氨酯泡沫表现得像开泡泡沫。如果关系（3）适用于普通酚醛泡沫，形状各向异性比R应为1.25。但是，对于纤维增强的泡沫，性质各向异性应源于材料各向异性以及结构起源。纤维的存在可以改变在发泡过程中泡孔形成过程，改变普通泡沫的泡沫泡孔形态。同时，泡沫中的纤维可能获得优先取向和不均匀分布，导致泡沫性质的各向异性，还有可能的是芳族聚酰胺纤维可能经历“微剥离”过程[2]在泡沫变形过程中引起局部应力放松和降低对装载方向的敏感性。目前，这些关于增强泡沫各向异性起源的断言在很大程度上是投机性的，未经证实的。目前正在调查这个问题，我们也需要有关纤维取向的详细信息分布和低密度加强泡沫中的泡孔形态。

然而，可以使用来自表1的数据将酚醛泡沫与其他市售的聚合物泡沫比较，通常，酚醛泡沫塑料更硬（具有较高的模量）优于聚氨酯泡沫，但密度相同时不像PVC泡沫那么硬。虽然非增强酚醛泡沫的抗压强度低于聚氨酯和PVC泡沫，增强酚醛泡沫达到了可比的水平强度。这表明纤维增强酚醛泡沫可以与这些结构泡沫竞争一定工程应用，特别是那些应用需要防火性能。

3.3剪断

通过设计，夹心芯主要经受剪切应力[8]。因此，剪切性能是评估三明治结构材料最重要标准其中之一，酚醛泡沫在这种结构应用中，剪切性能被测量并且总结在表2中。我们绘制了一些典型的剪切应力 - 应变曲线，如图6。两种增强酚醛泡沫相比，增强后的泡沫显示较高剪切模量比未增强的泡沫，剪切强度与未增强的泡沫体相当。但玻璃纤维增强物再次产生更大的剪切力增加硬度比芳族聚酰胺纤维对应物在相同的纤维加载。添加更多的纤维有助于提高剪切模量和剪切强度。对比压缩性能，所有酚醛的剪切模量泡沫在聚氨酯和PVC泡沫之间，而剪切强度低于两者。

表2中所有泡沫的数据表示a平面上的抗剪强度一般较正常到发泡方向。然而，剪切性能是对泡沫细胞结构的各向异性较不敏感 [15]。在酚醛泡沫中，芳纶纤维增强泡沫表现出最小的各向异性，而未增强的泡沫大多数是各向异性，玻璃增强泡沫在其间。然而，模数各向异性之间的差异中增强和未加强的泡沫很小，这表明表明酚醛泡沫的剪切性能各向异性对材料各向异性也不敏感。

如图6所示，芳纶增强酚醛泡沫显示与其他泡沫不同的独特断裂行为。其他泡沫，包括玻璃纤维的泡沫，显示为一种经典脆性破裂下最大载荷，伴随着突然断裂应力 - 应变曲线的压力下降到零附近。然而，芳纶纤维增强泡沫剪切应力 - 应变曲线表现出峰值后的压力平滑下降。压力的顺利下降遵循峰值应力持续到高应变水平。事实上，剪切测试并没有完全打破芳纶纤维增强泡沫标本。虽然对这个机制的独特的断裂行为尚未完全了解，表观抗剪切载荷和增强的韧性归因于与纤维桥接效应相关。泡沫中相对柔性的芳族聚酰胺纤维，给出了纤维增强酚醛泡沫中一个相似的芳纶耐剥离性的假设[2]。此外，在夹层梁弯曲中也遇到类似的测试现象，其中下方的裂纹纤维桥接图像是用显微镜拍摄。

3.4夹心芯弯曲

夹心梁的弯曲行为不同泡沫芯，如图7所示，总负荷情况对于不同梁的中跨偏转。该具有5％重量芳族聚酰胺纤维增强酚醛泡沫芯的梁的行为与其他材料不同。其显示一旦初始故障发生承载能力急剧下降，即使在损坏开始

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