玻璃纤维编织复合材料在高温下的弯曲疲劳行为

关键词：弯曲疲劳、复合材料机械强度、热稳定性、玻璃纤维编织复合材料、ASTM D6272、电子设备

EF035-CN

摘要

本研究使用 Electroforce 3330 负载框架研究了工作温度对两种等级的 Garolite 玻璃纤维编织复合材料的弯曲性能和疲劳寿命的影响。在两种工作温度下对样品进行了四点弯曲单调加载和正弦疲劳加载。对复合材料的抗弯强度、模量和疲劳寿命进行了测量和比较。结果表明，弯曲加载时材料的机械性能和疲劳寿命具有温度依赖性。虽然在 100 °C 的较高工作温度下，两个等级的 Garolite 的疲劳寿命均显著降低，但与 G10 等级相比，G11 等级的材料保持了更高比例的强度。这些实验方法和发现有助于更好地了解各种应用中不同工作温度下的材料性能。

引言

与金属、陶瓷和塑料等传统材料相比，玻璃纤维编织复合材料具有更高的刚度重量比和强度重量比，因此被广泛用作结构支撑材料。[1] Garolite 是一种知名的高性能玻璃纤维编织复合材料，由玻璃纤维编织布嵌入各种热固性树脂制成。由于其电绝缘性能、尺寸稳定性、耐用性和耐湿性，该材料主要用于电子、医疗、航空航天和航海领域。G10 和 G11 是两种等级的玻璃树脂 Garolite 层压板，主要用于制造需要极高强度和热稳定性的产品。G-11 的成分与 G-10 相似，但 G-11 使用了不同的树脂添加剂，以保持其在高温下的结构强度。

温度是影响复合材料的材料性能的关键因素之一。先前的研究表明，工作温度的升高会导致树脂分解和纤维粘合力减弱，进而会降低纤维增强复合材料的强度。[2] 因此，随着 Garolite 或一般复合材料在较高温度下应用的不断增加，需要更好地了解这些材料的热稳定性。但是，很少有研究探讨疲劳加载下温度对 Garolite 的机械性能的影响。在许多应用中，重复或循环加载是不可避免的，并且由于复合材料会累积裂纹和变形等损坏，因此彻底评估寿命缩短的程度非常重要。[3] 本研究考察了两种市售 Garolite 复合材料 (G10 和 G11) 在两种不同温度下的机械性能，并专门研究了温度对其疲劳行为的影响。

实验

为评估玻璃纤维编织复合材料在高温下的结构稳定性，我们对两种市售复合材料矩形棒 G10 和 G-11 进行了测试，所述材料的横截面为 25.4 毫米 X 3.2 毫米，购自位于美国伊利诺斯州的 McMaster-Carr。表 1 列出了供应商提供的材料特性。

表 1. Garolite 复合材料的材料特性。

G-10 G-11
拉伸强度 (MPa) 240-345 289-404
抗弯强度 (MPa) 310-413 384-528
最高温度 (° C) 130 170
* 未提供模量或疲劳强度的规格

在室温 (RT) 和 100 °C 下对样品进行单调加载至失效和循环疲劳至失效四点弯曲试验。使用 TA Instruments ElectroForce 负载框架 (型号 3330) 对材料进行测试，该仪器的载荷能力为 3000 N，配有温度范围为
-150 °C 至 350 °C 的烘箱 (图 1)。

Figure 1. ElectroForce 3330 load frame with an oven and shown with tensile testing fixtures
Figure 1. ElectroForce 3330 load frame with an oven and shown with tensile testing fixtures

样品夹具和测试条件遵循 ASTM D6272-17 标准的要求。[4] 支撑跨度长度为 54 毫米，负载跨度为 18 毫米 (图 2)，测试样品的长度为 100 毫米，以在支撑的两端提供足够的悬垂长度。跨度长度内的样本测试面未进行机械加工，以避免损坏近表面纤维。

单调试验以 0.03 毫米/秒的位移率进行，正弦循环疲劳加载以 10 赫兹的频率进行。所有疲劳实验均在力控制下进行，R 比为 0.1。在高温试验中，将烘箱从室温加热到 100 °C，加载前保持温度 30 分钟，并在整个试验过程中保持温度不变。单调测试结果用于确定疲劳测试的最大应力水平。疲劳试验期间施加的最大应力为抗弯强度的 25% 至 95%。

以较大的最大应力集中区域进行四点弯曲试验，这有助于减少因复合材料局部缺陷而导致的结果差异。两个荷载跨度之间 (支撑跨度三分之一的荷载跨度) 的最大应力和应变分别由公式 1 和 2 计算得出。[4]

S = PL / bd2 (1)
ε = 4.7Dd / L2 (2)

其中 S 为整个荷载跨度上外层纤维的应力；P 为荷载-挠度曲线上给定点的荷载；L 为支撑跨度；b 为梁宽；d 为梁深；ε 为外层纤维的最大应变；D 为梁中心的最大挠度。抗弯强度定义为材料失效前的最大应力，弹性模量为弹性区域内应力与应变的比值。

Figure 2. Four-point bending test of Garolite composite rectangular bar in the oven of 3330 Load Frame.
Figure 2. Four-point bending test of Garolite composite rectangular bar in the oven of 3330 Load Frame.

结果和讨论

单调四点弯曲试验的结果如图 3 所示。图 3a 显示了 G10 和 G11 复合材料在室温和 100 °C 两种温度下的代表性应力-应变响应。对于每种条件，共进行了三次重复测试。所有重复测试均呈现出可复制的应力-应变曲线，结果表明，样品具有一致的失效行为。应力呈线性增加，直到达到最大强度，并在失效后下降。

在室温下，与 G10 相比，G11 复合材料表现出更高的抗弯强度，为 487.1 ± 9.9 MPa，而 G10 的失效应力为 409.0 ± 2.4 MPa (图 3b)。尽管两种复合材料的测试温度均位于其工作温度之内，但在 100 °C 的较高温度下，材料的强度显著下降。但是，G11 的性能明显占优，保持了约 80% 的结构强度，而 G10 仅保持了 68% 的强度。值得注意的是，尽管低于供应商规定的最高工作温度，但在较高的工作温度下，两种复合材料的弯曲模量均有所下降。室温下的实验结果与供应商在表 1 中报告的材料特性一致，但在 100 °C (远低于报告的最高工作温度) 时，两种复合材料的结构强度均有所下降。

Figure 3. Four-point bending monotonic tests on G10 and G11 Garolite rectangular bars. (A) Representative stress-strain curve
Figure 3. Four-point bending monotonic tests on G10 and G11 Garolite rectangular bars. (A) Representative stress-strain curve
(B) average flexural strength and modulus of elasticity of G10 and G11 composites.
(B) average flexural strength and modulus of elasticity of G10 and G11 composites.

在连续加载的情况下进行四点弯曲疲劳测试，以累积复合材料系统中的损伤，并评估在不同应力水平下至失效前的生命周期。初始疲劳实验在 95% 的平均抗弯强度 (比例极限，由单调测试获得) 应力的下进行。实验中应用足够高的疲劳应力水平，应力范围为比例极限应力的 25% 至 95%，以确保在循环加载过程中发生失效。考虑到加载比为 0.1，与加载跨度接触的上表面承受压应力，而与支撑跨度接触的另一个表面承受拉应力。每个样品的疲劳寿命被表征为最终失效的循环次数。

图 4 显示了两种温度下每种复合材料的疲劳寿命 (失效循环次数) 与最大疲劳应力之间的函数关系 (S-N 曲线)。S-N 曲线展示了每种复合材料在不同温度下的疲劳性能之间的比较。结果表明，在所有情况下，随着应力的增加，失效循环次数都会减少；但在室温下，G11 的疲劳寿命明显优于 G10。此外，在连续工作温度为 100 °C 时，G11 具有更高的疲劳寿命循环次数。例如，与室温相比，在温度为 100 ℃、疲劳应力为 200 兆帕的条件下，G10 的疲劳寿命缩短了 91%，而 G11 仅缩短了 46%。在抗弯强度低至 25% 的应力水平下，所有样品在不到 200 万次循环时都会发生失效，因此需要进行持续时间更长、应力水平更低的实验，以充分评估材料在实际循环加载可能超过 200 万次循环的应用中的强度。

Figure 4. S-N curves for fatigue four-point bending of Garolite A) G10
Figure 4. S-N curves for fatigue four-point bending of Garolite A) G10
B) G11 at two operating temperatures of RT and 100 °C.
B) G11 at two operating temperatures of RT and 100 °C.

结论

在室温和 100 °C 两种不同温度下，对两种等级的 Garolite 复合材料 (G10 和 G11) 进行了四点弯曲的单调加载至失效和循环疲劳至失效测试。与 G10 相比，G11 在室温下具有更高的抗弯强度，并在 100 °C 时保持更高的强度。即使应力水平低至单调弯曲强度的 25%，在 200 万次循环之前也会发生疲劳失效，并且未观察到耐久性极限。因此，需要进行更长时间的测试来了解超过 200 万次循环的应用中的疲劳极限。复合材料的疲劳寿命在高温下会降低。在 100 °C 的较高工作温度下，G11 保持其结构强度的能力明显更强。四点弯曲试验结果表明，温度对 Garolite 复合材料的抗弯强度和疲劳寿命具有显著影响。结果表明，表 1 所示的供应商规格可能不适用于所声明的整个温度范围。因此，在不同工作温度下测试材料以更好地了解材料性能非常重要。

未来展望

将在单独的应用说明中发表：应用 DMA (动态力学分析) 方法更全面地研究温度对模量和粘弹性的影响。DMA 可以更深入地了解接近和超出最高额定温度时的玻璃化转变温度和材料特性。

参考文献

  1. Paradiso A, Mendoza I, Bellafato A, Lamberson L. Failure behavior of woven fiberglass composites under combined compressive and environmental loading. Journal of Composite Materials. 2020;54(4):519-533. doi:10.1177/0021998319878771
  2. Zhou F, Zhang J, Song S, Yang D, Wang C. Effect of Temperature on Material Properties of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) Tendons: Experiments and Model Assessment. Materials (Basel). 2019;12(7):1025. Published 2019 Mar 28. doi:10.3390/ma12071025
  3. Rasheduzzaman, Mohammad, and M. N. Cavalli. “Failure Mode Transition in Fiber Composite Fatigue.” Fracture, Fatigue, Failure, and Damage Evolution, Volume 5. Springer, Cham, 2015. 165-172.
  4. ASTM D6272-17 (2017) Standard Test Method for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials by Four-Point Bending. ASTM International, West Conshohocken.

致谢

本文由 TA Instruments 应用支持科学家 Soheil Daryadel 博士撰写。

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