蔡玄龙，冯少博，柯贤朝

(上海材料研究所 上海市工程材料应用评价重点实验室, 上海 200437)

随着我国工业的快速发展，复合材料得到广泛应用[1-5]。玻璃纤维增强环氧树脂压制的复合材料也称玻璃钢，作为复合材料的典型代表，与金属等传统材料相比具有比强度高、耐疲劳、耐高低温等特点，在多个领域中成为重要材料。

针对玻璃钢复合材料的力学性能，国内外学者已进行了大量的研究。SAS H S等[6]发现不同的铺层方式和铺层角度会对整体材料的渗透性能产生影响。张磊等[7]对玻璃钢进行了不同纤维方向的拉伸试验，试验结果表明，将玻璃钢材料沿纤维方向制成拉杆等形状，可以替代传统材料在输电杆塔中的应用。刘华等[8]对玻璃钢进行了拉伸试验，通过扫描电镜(SEM)观察破坏的断口发现，拉伸试样的破坏形式为纤维和基体的结合能破坏，并通过改善两者间的结合性能，获得了性能更优的玻璃钢材料。

为进一步对比不同预浸料制成的玻璃钢的弯曲性能，笔者以现有研究为基础，选用单向玻璃纤维/环氧树脂预浸料和平纹玻璃纤维/环氧树脂预浸料，分别压制成2 mm厚的环氧玻璃钢复合材料，加工成试样后进行弯曲试验，得到相应弯曲性能参数；观察弯曲破坏的试样断口，并分析破坏特征，以期为该类环氧玻璃钢的应用提供指导。

1 试验方法

试验使用某公司生产的玻璃纤维/环氧树脂预浸料，其包括单向玻璃纤维预浸料(G1)、单向玻璃纤维预浸料(G2)、平纹玻璃纤维织物预浸料(G1911)3类，其中，G1和G2的厚度不同。

按图1、图2所示分别裁剪0°，45°，90°不同方向的玻璃纤维预浸料，按一定方式铺层后放入模具，然后在一定压力下加热固化。将固化后的玻璃钢层合板切割加工制成弯曲试样，试样尺寸为150 mm×15 mm×2 mm。采用CMT5305型电子万能试验机对玻璃钢试样进行弯曲试验，然后使用XTZ-E型连续变倍体视显微镜对断口进行观察。按GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》的技术要求对制备的试样进行弯曲性能测试，下压速度为10 mm·min-1。

图1 单向玻璃纤维预浸料不同方向裁剪示意图

图2 平纹玻璃纤维织物预浸料0°裁剪示意图

2 试验结果与分析

2.1 弯曲损伤过程

弯曲过程的典型载荷-挠度曲线如图3所示(弯曲试样选用单向玻璃纤维预浸料G2，铺层方式为0°和90°交替铺层)。可见在弯曲加载过程中，试样弯曲试验过程可分为3个阶段：(1)弹性阶段，在此阶段内，玻璃钢处于弹性变形阶段，随着载荷逐渐增大，试样中细小缺陷处会逐渐发生破坏，载荷-挠度曲线表现为细小锯齿状的上升[9]；(2)弹塑性阶段，随着载荷进一步增大，玻璃钢内部的大量纤维束开始断裂[10]，当部分纤维束断裂后，载荷施加在未断裂的其他纤维束上，此阶段中玻璃钢内部的应力不断重新分布，当达到最大载荷时，载荷-挠度曲线表现为突然下降；(3)塑性阶段，试样发生局部载荷突然下降后，玻璃钢内绝大多数纤维束已经发生断裂[11]，载荷-挠度曲线表现为突降后又缓慢上升。

图3 弯曲过程的典型载荷-挠度曲线

2.2 弯曲破坏形式

在弯曲试验中，弯曲试样断口的破坏形式分为压溃破坏和层间剪切破坏。图4a)的破坏形式(弯曲试样选用单向玻璃纤维预浸料G2，铺层方式为0°铺层)属于压溃破坏，可见试样的弯曲断口与试样边缘呈90°，树脂基体发生开裂;由图4c)和图4d)可见，断口有部分树脂颗粒，同时可见断裂的纤维。压溃破坏的载荷-挠度曲线如图4b)所示，在压溃的瞬间大量纤维与树脂断裂，载荷急速下降。

图4 弯曲试样压溃破坏的断口形貌及载荷-挠度曲线

图5a)的破坏形式(弯曲试样选用单向玻璃纤维预浸料G2，铺层方式为±45°交替铺层)属于层间剪切破坏；随着弯曲载荷的增加，玻璃钢内部的纤维开始断裂，裂纹迅速扩展，同时向树脂基体扩散，最终导致内部的玻璃纤维与树脂基体剥离，形成内部的层间脱粘，导致失效破坏，如图5c)和图5d)所示。层间剪切破坏的载荷-挠度曲线如图5b)所示，在载荷逐渐增加的过程中，曲线不会有较大的突降，表现为波浪形的上升和下降。

图5 弯曲试样层间剪切破坏的断口形貌及载荷-挠度曲线

2.3 铺层角度对环氧玻璃钢弯曲性能的影响

对铺层角度不同的试样进行弯曲试验，结果如表1所示，可以发现单向纤维铺层中，±45°铺层试样的破坏形式为层间剪切破坏，其余铺层方式的破坏均为压溃破坏；0°纤维试样弯曲强度为45°纤维试样的8.3倍，为90°纤维试样的11倍。由于在玻璃钢试样的弯曲过程中0°纤维主要起承力作用，所以0°纤维制成的试样弯曲强度较高，而90°纤维制成的试样在弯曲过程中仅有树脂承受载荷，弯曲强度较低。对于交叉铺层的试样，0°/90°纤维交替铺层试样的弯曲强度同样优于±45°纤维铺层试样的。在进行产品结构设计时，承力部位应选用0°纤维或0°/90°纤维交替铺层的方式。

表1 不同铺层角度试样的弯曲强度

2.4 铺层方式对环氧玻璃钢弯曲性能的影响

在其他影响因素不变的情况下，可以发现试样铺层方式不同，弯曲强度也不同，不同铺层方式下试样的弯曲强度如表2所示，可以发现0°方向预浸料置于最外侧的试样(序号3),其弯曲强度高于90°置于最外侧试样(序号2)的；均匀铺层试样的弯曲强度高于非均匀铺层试样的。在产品结构设计中，需根据使用位置的强度需求，选择合适的铺层方式。

表2 不同铺层方式试样的弯曲强度

2.5 预浸料种类对环氧玻璃钢弯曲性能的影响

对3种不同型号同一铺层方式的预浸料进行弯曲试验，结果如表3所示。由表3可见，由于两种单向纤维预浸料的内部纤维种类和树脂含量相同，且压制过程中采用相同的生产工艺，因此两种单向纤维预浸料的弯曲强度基本接近；单向纤维预浸料试样的弯曲强度高于平纹玻璃纤维织布试样6.6%。3种预浸料的弯曲强度差异不大，在产品结构设计时，可以根据工艺需求，选择预浸料的种类。

表3 不同种类预浸料试样的弯曲强度

3 结论

(1)玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的典型弯曲破坏过程可分为3个阶段，即弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。

(2)对于单向纤维铺层试样，0°纤维试样弯曲强度约为45°纤维试样的8.3倍，为90°纤维试样的11倍；对于交叉铺层试样，0°/90°纤维交替铺层试样的弯曲强度同样优于±45°纤维交替铺层试样的。

(3)对于不同铺层方式的试样，0°铺层置于最外侧试样的弯曲强度高于90°置于最外侧试样的；均匀铺层试样的弯曲强度高于非均匀铺层试样的。

(4)单向纤维预浸料试样的弯曲强度略高于平纹玻璃纤维织布试样的。