玻璃纤维—橡胶复合材料力学性能的研究及有限元分析
时间：2020-12-29 16:05:27 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
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 curves 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 reliability 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
0 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 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。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形。把曲线分为oa、ab和bc三个阶段，过程中观察到：①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。②a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。③b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
