短纤维增强酚醛泡沫的机械特性外文翻译资料

 2022-07-12 14:15:56

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短纤维增强酚醛泡沫的机械特性

Hongbin Shen, Steven Nutt

Merwyn C. Gill基础复合材料中心，南加州大学工程学院

摘要 本文对纤维增强酚醛泡沫的机械性能进行了表征，并与未增强泡沫进行了比较简单夹层梁的脆性，压缩和剪切性能以及弯曲性能。与传统的酚醛泡沫相比，用芳族聚酰胺纤维增强的泡沫表现出明显较低的脆碎度，较高的抗开裂性和较多的各向同性行为，玻璃纤维增强泡沫明显更硬更强。 带有增强酚醛泡沫芯的夹层结构显示出特殊的失败行为，其中结构的灾难性崩溃不仅延迟了，而且完全避免了。本文的研究结果加上早期的结果证明了增强酚醛泡沫作为耐火，坚韧和低成本工程材料的潜力。

关键词 A.泡沫; B.容忍度; B.断裂韧性; B.实力; B.机械性能

  1. 介绍

酚醛泡沫具有优异的防火性能，包括低燃烧性，低峰值热释放率（PHRR），燃烧期间的点燃以及低烟密度和毒性。另外，它是市场上最便宜的聚合物泡沫之一。因此，酚醛泡沫在耐火性至关重要的领域受到很多关注，例如民用建筑的建筑材料，客运和军用飞机以及海军舰艇。然而，酚醛泡沫的结构应用由于极端的脆性和脆性而受到严重限制。在过去的几十年中，已经有很多努力使酚醛泡沫材料变得更加坚韧[1]，但是它们都没有完全成功。在我们最近的出版物[2]中，短纤维增强酚醛泡沫的抗剥离性比未增强的对应泡沫增加了七倍，表明这种方法有望增强酚醛泡沫的断裂韧性而不牺牲关键的耐火性能。在本文中，我们描述了增强酚醛泡沫的力学性能的更广泛的特征，包括脆性，压缩，剪切和弯曲性能作为夹心核心。

目前，聚氯乙烯（PVC）和聚氨酯泡沫是结构应用中夹层芯的普遍选择。 与其他大多数泡沫相比，PVC泡沫坚硬而坚固，而聚氨酯泡沫具有中等刚度和易加工性。 两种泡沫都广泛用作夹层芯材。 但是，聚氨酯泡沫塑料易燃，在燃烧过程中会产生有毒气体。 尽管PVC泡沫具有相对较低的可燃性，但在火灾条件下会释放出有毒的含卤素气体。作为材料可燃性的标准，烟雾密度和毒性（FST）在全球变得越来越严格，常规结构泡沫的局限性可能妨碍其继续使用。 因此，本文的目的之一是比较增强酚醛树脂与PVC和聚氨酯泡沫材料，以评估其作为阻燃无毒替代品在火灾危险结构应用中的潜力。

  1. 实验

2.1． 材料和试样的制备

所有的酚醛泡沫样品都是在我们的实验室中使用专利配方[3]和正在申请专利的技术[4]合成的，如之前的出版物[2]中所述。 本文使用的短纤维增强材料是芳纶纤维（来自杜邦的Nomex w）和E玻璃纤维（来自Owens-Corning Inc.），两者的斩波长度均为6.4毫米（1/4英寸）。 除非另有规定，否则所有泡沫材料的制造都要达到80 kg / m3（5 PCF，磅/立方英尺）的密度。 在这个密度下，未增强酚醛泡沫的泡孔尺寸为100mm。 典型地制造泡沫板坯，并且在去除边缘后从板坯取样试样。 最后，通过用金刚石刀片带锯切片来获得期望的尺寸。 对于泡沫上升方向的切割方向给予了特别的关注。 选择样品尺寸以符合不同测试的ASTM规格。

根据ASTM标准，在万能试验机（Instron 1330）上进行所有机械测试（脆性测试除外）。 每个样本至少测试3次重复，结果以95％置信度的所有重复的平均值表示。

2.2． 脆碎度测试

根据ASTM C421定制的翻滚盒测量易碎性。 对于每个试样，将12个边长25.4mm（1英寸）的泡沫立方体与24个边长为19.0mm（3/4英寸）的橡木立方体混合。 在翻滚之前和之后，测量样品的精确度为1毫克。 在每次称量之前，每个泡沫立方体用压缩空气清洁以去除表面灰尘。 根据标准的规定，翻滚时间为60rpm时10分钟。 在测试之前和之后记录每个标本的图像

2.3． 压缩测试

按照ASTM D1621进行压缩测试。 将30mm见方，25.4mm厚的样品压缩在两个不锈钢压板之间，并以0.5mm / min（0.02in./min）的十字头速度施加载荷。 压缩模量被认为是应力 - 应变曲线最陡的初始斜率，强度由最大载荷（应变范围10％）确定。

2.4． 剪切测试

根据工业标准BPS D-124 [5]和ASTM C273进行搭接剪切测试。 图1显示了测试配置和样品几何形状。 使用快速固化环氧树脂粘合剂将泡沫样品粘合到不锈钢板上。 连接到剪切固定装置上的引伸计提供了平面内剪切变形的测量，精度高达1微米。 将剪切模量作为应力 - 应变曲线的最陡的初始斜率，并将强度作为峰值应力值。

图1.剪切试验配置（a）和试样几何形状（b）。

2.5．四点弯曲三明治弯曲测试

按照ASTM C393标准在短砂桁梁上进行四点弯曲试验。 夹层梁试样用铝面板和用环氧膜粘合剂粘合在一起的泡沫芯制造。 类似的制造技术已在参考文献中报道。 [6]，产生令人满意的结果。 顶部和底部饰面都是1mm厚的铝2024T3薄板，其杨氏模量为73.2GPa，极限拉伸强度为75MPa [7]。测试配置和几何形状如图2所示，泡沫芯的剪切性能采用参考文献[8]中的关系确定。

图2四点弯曲夹心梁试验的几何结构

具体而言，泡沫芯的剪切模量由下式给出

（1）

其中

L =三明治梁的总跨距，mm;

c =核心的厚度，mm;

d =三明治梁的高度，mm;

b =夹层梁的宽度，mm;

C =三明治梁的整体顺从性，定义为梁的中跨挠度w（单位：mm）与总应用力P（以牛顿为单位）;

D =夹层梁的弯曲刚度，E （d3-c3）/12; 其中E是表面杨氏模量

泡沫芯的剪切强度是

（2）

其中P max是最大作用力。公式（1）和（2）来源于经典的夹层梁理论[9]，该理论涉及一些假设，可能导致相对较软的芯和集中载荷的夹层结构的实际误差[10,11]。 然而，由于从经典理论推导出的算法的简单形式，它们被广泛用于工程设计和分析[8,12]。

对于每个四点弯曲测试样本获得施加的力对中跨度挠曲的曲线图，然后从曲线中提取最陡的初始斜率和最大施加的力。 该斜率值的倒数，即C; 被用于计算泡沫芯的剪切模量，用于与剪切测试结果进行比较。 使用Keyence VH-8000数字显微镜在测试期间进行夹心核心的断裂。

3。结果与讨论

3.1．脆性

易碎性是低密度泡沫的重要特性，并且由表面磨损和冲击损伤引起的质量损失来衡量。 对于密度低于100 kg / m 3的酚醛泡沫，脆碎度非常高，以致在生产和应用中出现严重问题。 例如，据报道，酚醛泡沫的脆碎度导致生产区域的粉尘污染，并且与其他材料粘合困难。 服务应用中的振动也会导致问题，限制甚至阻止其用于结构应用中，即使是最适度的承重要求。 酚醛泡沫的易碎性被认为是源于材料的脆性[13,14]。 因此，脆性问题的一个简单方法是提高酚醛泡沫的韧性。

图3所示的脆碎度测试结果表明，添加芳族聚酰胺纤维可以显着改善酚醛泡沫的脆性。质量损失从普通酚醛泡沫塑料的25％下降到含有10wt％芳族聚酰胺纤维的复合泡沫塑料的5％以下，降低5％。戏剧性的改进意味着脆性的变化与增强泡沫的韧性增加有关。最近对复合泡沫的断裂行为的研究支持了这一论断，其中纤维增强导致韧性显着提高[2]。泡沫抵抗断裂的能力与脆碎度密切相关，脆碎度包括由磨损和重复的轻微撞击事件引起的微裂纹。由于泡沫脆碎度降低，样品的形状保持性提高，如图4所示。芳族聚酰胺纤维增强泡沫立方体的形状在脆性测试中几乎没有变化（图4（b））。

图3.脆性测试结果。

商业聚氨酯泡沫塑料（密度65千克/立方米，4 PCF）的数据是根据参考文献中报告的数值估算的。 [18]，它使用了我们在测试中使用的标准数的两倍的翻滚周期。

图4.脆性测试结果表明酚醛泡沫立方体的形状变化。

（a）原始形状，1立方英寸; （b）5重量％Nomex增强; （c）无增强; （d）5重量％的玻璃增强。 虚线框表示原始形状和大小。

相反，未增强的泡沫样品表现出明显的边缘倒圆（图4（c））。 复合酚醛泡沫的脆碎性能也超过了商用聚氨酯泡沫的性能，其表现出估计的质量损失11.1％（密度65kg / m 3，4 PCF）[18]。

检查玻璃纤维增强泡沫的行为时，纤维类型对脆碎度的影响很明显。 重量损失行为如图3所示，相应的样品图像如图4（d）所示。 令人惊讶的是，结果显示玻璃纤维增强泡沫和未增强泡沫没有显着差异。 因此，玻璃增强无法改善脆碎度，而芳纶纤维非常有效。 这些观察结果与之前有关剥离强度测量的报道相一致，其中芳纶纤维在提高泡沫韧性方面比类似玻璃纤维载荷更有效[2]。

3.2.压缩

已经很好地描述和分析了压缩载荷下多孔材料的变形行为[15]。 像大多数塑料泡沫一样，酚醛泡沫在承受压缩载荷时表现出多阶段的变形响应。 在图5中，显示了压缩应力 - 应变响应的初始部分（应变，20％）。 这是与工程应用最相关的变形响应部分，包含了压缩模量和强度的关键参数。 表1总结了几次压缩试验的数据。

图5.酚醛泡沫的压缩应力 - 应变关系。 加载方向平行于泡沫上升方向。

表格1 泡沫的压缩性能（密度=80 kg / m 3）

泡沫配方

平行a

垂直a

模量各向异性比E∥ =Eperp;

模量（MPa）

强度（MPa）

模量（MPa）

强度（MPa）

非增强

31.8

0.76

15.2

0.65

5％诺梅克斯增强

29.1

0.90

26.8

0.71

10％诺梅克斯增强

31.0

0.71

5％玻璃纤维增强

33.9

0.90

19.7

0.59

10％玻璃纤维增强

62.7

1.1

聚氨酯b

26.5

0.92

14．9

0.60

PVC(Divinycell w H80) b

85

1.2

a加载方向与泡沫的原始发泡方向有关。

b来自制造商的数据表[18]的数据。

当平行于发泡方向施加压缩力时，具有5重量％芳族聚酰胺纤维的酚醛泡沫体的模量略低于未增强的对应物，但强度更高。 添加更多芳族聚酰胺纤维（10重量％）改善了模量，但其不超过未增强泡沫的模量。 但是，玻璃纤维添加剂在压缩性能方面表现出更大的提高。 添加5重量％的玻璃纤维会引起酚醛泡沫的模量和强度的适度增加。 当载荷增加到10重量％时，模量上升到未增强泡沫的几乎两倍，并且伴随着强度增加31％。

玻璃纤维增强压缩性能的效果超过芳纶纤维，而且拉伸性能也有类似的趋势[2]。 虽然这种现象部分归因于玻璃纤维相对于芳族聚酰胺Nomex w纤维相对较高的刚度[16]，但主要原因是沿发泡方向的玻璃纤维取向程度较高。 这一论点得到了压力测试的支持，其中力的施加垂直于发泡方向。 在这些测试中，复合泡沫显示出相反的趋势 - 芳纶纤维增强比横向加载中的玻璃纤维更有效。 轴向和正交加载方向的泡沫特性的变化反映了纤维取向的差异，因此在本研究中制造的所有酚醛泡沫中存在各向异性。

Gibson和Ashby [15]指出，大多数泡沫，尤其是那些由开模工艺生产的泡沫，在发泡和横向上都是各向异性的。 各向异性可能来自两个独立的因素，结构和材料。 使用细长的立方泡沫单元模型，他们得出杨氏模量各向异性比率对结构各向异性的依赖性，并发现

(3)

其中E //是平行于发泡方向测量的泡沫的杨氏模量，Eperp;是垂直于发泡方向的杨氏模量，R是形状各向异性比率，定

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