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GFR/PP复合材料模内孔和机加工孔的承载强度比较

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发表于 2022-8-31 08:03:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 中国注塑网 于 2022-8-31 08:04 编辑

本研究旨在研究重量分数 (wt%) 和纤维原料长度 (FFSL) 对通过注塑成型技术制造的玻璃纤维增​​强 (GFR) 聚丙烯 (PP) 复合材料中螺栓接头承载强度 (BS) 的影响. 对通过模制或机加工产生的孔进行了调查。对于加工孔,讨论了钻孔参数(进给和速度)对 BS 的影响。可以观察到,BS 随着 FFSL 的增加而降低。通过增加玻璃纤维的 wt%,模压试样和钻孔试样的 BS 均得到提高。虽然观察到模制试样的 BS 略好于所有试样的钻孔试样。钻孔条件对 BS 的影响对于长纤维增强 PP 中的钻孔来说是微不足道的,其中最显着的因素是 wt%。然而,对于短纤维增强 PP,主轴转速是最显着的因素,其次是进料,而 wt% 的影响最小。试件的破坏形态模式表明,对于模内试件,纯 PP 试件在纯承载模式下失效,而 GFR/PP 试件在混合模式(承载和净张力)下失效。对于机加工试样,除了在净张力下失效的最高 wt% 试样外,所有试样均在混合模式下失效。

介绍
最近,热塑性材料的使用一直在稳步增加,因为它们提供了独特的性能集合。强度重量比、耐环境性、快速加工、卓越的高温性能和可回收性是热塑性塑料的一些优势,这些优势使其优于其他材料1、2、3。添加纤维被广泛用于增强基于聚合物的复合材料,以使其在应用中更加可靠。为了使用纤维增强聚合物 (FRP) 作为结构元件,这些材料必须满足一些要求,例如刚度、强度、耐用性、冲击和压碎,以便在关键部件的制造和组装中更有用2. 已经使用纤维增强热塑性塑料生产了各种汽车零件,因为它们的轻量化效果已在非承重4和半承重部件中得到证明。这些部件包括电池盒5、6、7、碰撞盒8、轻质车轮9、前端模块10、汽车座椅11、12、板簧13和引擎盖14。特别是,GFR/PP 似乎在土木工程领域的房屋、屏障、梁和桥面等预制结构的建造中具有很好的应用潜力15. Vaidya 和 Chawla 16设计并制造了由 GFR/PP 制成的耐用巴士座椅,与常用座椅设计相比,重量和总生产成本分别节省了 43% 和 18%。

接头代表了这些关键部件之一,其中螺栓在结构应用、飞机制造、航空航天、汽车和其他具有高性能的工程应用(包括体育用品、风能结构和医疗器械)中提供连接 FRP 的主要手段17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23。GFR/PP 的接头强度被发现适用于板簧的设计,因此这些类型的材料可用于接头应用24、25、26。此外,Anandakumar 等人。27与钢相比,GFR/PP 控制臂作为悬架系统的承重部件获得了卓越的性能。接头设计对 FRP 结构特别感兴趣,因为接头代表了复合材料结构中的最薄弱点以及复合材料通过屈服20重新分配局部高应力的能力。BS是联合设计中必须考虑的重要属性。

连接 FRP 所需的孔通常是通过钻孔工艺制造的,这会削弱加固结构。Nejhad 和 Chou 28解释说,钻孔显着降低了碳纤维/环氧树脂复合材料的性能,这是因为通过使用模制孔可以避免纤维的全厚度切割。Nejhad 和 Chou 29认为,就所有实际目的而言,模内孔比钻孔更可取。因此,开发了许多替代的孔成型技术。胡芬巴赫等人。30使用了一种基于光纤移动的技术,该技术能够无损地制造孔。布鲁克斯坦和蒋31发现与石墨纤维/环氧树脂复合材料中的机加工孔相比,整体形成的编织孔使接头 BS 增加了 180%。张等人。图32显示,在通过 Kevlar/环氧树脂、石墨/环氧树脂和 Kevlar-石墨/环氧树脂混合复合材料的销负载进行机械连接的研究中,与钻孔样品相比,具有模制孔的样品强度提高了 0.12-61.23%。

林等人的实验结果。从图33可以看出,相对于钻孔,具有模内孔的编织玻璃粗纱复合材料 (0,90) s存在较大的破坏强度、较小的初始刚度和较大的破坏应变。然而,对于 (45, - 45) s,除了失效应变外,失效强度和初始刚度没有任何改善。Zitoune 等人。图34观察到编织碳纤维/环氧树脂复合材料的模制孔比钻孔显示出高 30% 的强度和低 100% 的应变。布朗等人。35表明,对于碳纤维/PEEK热塑性复合材料的先进制造,与钻孔相比,通过热辅助穿孔技术生产孔时可以获得更好的开孔拉伸和压缩性能。藤田等人。36发现对于编织玻璃纤维增​​强环氧树脂复合材料 (GFRE),编织孔的接头强度大于机加工孔的接头强度。此外,赫兹伯格等人。37发现带有一体成型孔的纬编和机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料的 BS 比带有钻孔的高 20%。杜兰特和朗格拉38发现带有模制孔的 GFRE 复合材料样品的 BS 较高,该样品是通过在孔周围移动纤维制成的,而带有通过钻孔切割纤维制成的孔的样品的 BS。Dickson 和 Dowling 39发现,如果进行双剪切测试,带有钻孔的 3D 打印碳纤维/尼龙复合材料的 BS 比“Tailor Woven”集成孔的 BS 低 63%。Clark 40得出结论,与钻孔相比,切割碳纤维/尼龙复合材料在失效时的轴承应力和轴承应变平均增加了 31% 和 86.8。 %, 分别。

相反,Ataş 等人。41得出的结论是,由于制造过程中纤维的错位增加,具有模内孔的三轴编织碳纤维/环氧树脂试样的 BS 比具有钻孔的试样降低。Wang 的42三轴编织玻璃粗纱/环氧树脂试样和机加工孔之间的比较表明,与机加工孔相比,编织孔的承载能力相似甚至更低。

对于机加工孔,带钻孔的 FRP 的 BS 主要受加工条件的影响。卡沙巴等人。如图19、20、21所示,GFRE的试样刚度和 BS 随着进给速度和切削速度的增加而降低。Khashaba 和 El-Keran 43观察到以 16.3 m/min 的速度钻孔的编织 GFRE 复合材料的 BS 低于以 32.7 m/min 的钻孔速度,而进给值在 16.3 m/min 的速度下对 BS 的影响微不足道,但它在 32.7 m/min(增加然后减少)时具有明显的效果。Krishnaraj 等人。图44说明了与其他主轴速度和进给相比,以3000 rpm的转速和0.02 mm/rev的进给率进行钻孔导致最高的BS。Tagliaferri 等人。45得出结论,对于给定的钻孔速度与进给速率比,通过对 GFRE 试样采用较低的钻孔速度可以获得更好的 BS 结果。Srinivasa Rao 等人。46发现在编织 GFRE 复合层压板的钻孔中优选小进给速率。王等人。图47表明钻孔 GFRE 层压板时的转速和进给对 BS 的影响微不足道。

处理热塑性基体复合材料钻孔的研究涵盖了 Ilio 等人的一些方面。48讨论了在由石墨纤维增强的热塑性基体制成的单向复合材料中钻孔引起的损伤,涉及不同的加工参数。Hocheng 和 Puw 49 , 50证明碳纤维增强的丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 复合材料在钻孔中与环氧基复合材料相比具有良好的机械加工性。穆杜克里希南等人。51讨论了钻头材料、主轴速度和进给速率对编织玻璃纤维增​​强聚丙烯层压板的分层和推力的影响。

制造具有无需进一步加工的现成孔的零件将注塑成型与其他制造技术区分开来。注塑成型可以灵活地提供用短纤维增强的热塑性结构,以增强包括接头强度在内的强度。然而,通过增加喷丸纤维含量52来增强接头强度是有限度的。尽管用连续纤维增强注塑成型部件是不可能的,但是可以使用嵌入的局部连续纤维52来增强孔。此外,通过注塑成型53、54,可以通过金属嵌件提高接合性能的余量,其中可以确保塑料和金属之间的直接粘合。55.

根据我们的知识,从以前的文献中可以清楚地看出,有限的研究工作涉及研究重量分数对注射成型短切玻璃纤维增​​强热塑性复合材料的 BS 的影响。此外,还很少有研究比较此类材料的模内孔和钻孔的 BS。此外,没有系统研究表明加工条件对此类材料的 BS 的影响。因此,本工作旨在研究玻璃纤维重量分数的变化对注射成型短切玻璃纤维增​​强热塑性 (PP) 复合材料的 BS 的影响。进行了一项调查,以比较这类复合材料的模内孔和钻孔的 BS。此外,还研究了钻孔参数(进给速度、主轴转速)对加工孔试样BS的影响。

材料和实验工作
材料
本工作中使用的基体材料是用于注塑成型的聚丙烯 (PP) 共聚物 (413MNK45),由 SABIC ® —Egypt 提供。本工作中使用的玻璃纤维 (GF) 是 E-玻璃短切原丝,长丝短切长度为 12 和 24 毫米,由 JUSHI Co. 提供。GF 和 PP 的机械和物理性能分别列于表1和表2中。

表 1 增强玻璃纤维 (GF) 的机械和物理性能。
全尺寸表
表 2 基体聚丙烯 (PP) 的机械和物理性能。
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标本制作
用于轴承测试的样品是使用海天 PL1200 注塑机注塑成型,最大锁模力为 1200 KN。该模具经过多次设计、制造和检查,以根据 ASTM D5961 轴承试样标准检查其是否适合生产所需试样。在该模具中,每个试样都考虑了相同的塑料流动方向,以避免形成可能导致裂纹的熔接线的可能性。

模具配有两个直径为 6 mm 的嵌件;短插入和长插入。短嵌件用于没有模制孔的试样(这些孔将在以后使用机械加工工艺钻孔),图 1 a,而长嵌件用于具有模制孔的试样(这些孔是作为注塑过程的结果)如图 1b所示。

图1
图1
模具;( a ) 带有短嵌件的模具,( b ) 带有长嵌件的模具,用于带有模制孔的试样。

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为了生产测试样品,沿着注塑机的机筒温度分布被调整为 140、160、180、220 和 244 °C。在添加PP和GF的过程中调整机筒温度。制造过程可描述如下;首先,将整洁的 PP 轴承试样注塑成型。其次,使用 10、20 和 30 wt% 的不同重量分数的 PP 和具有 12 毫米和 24 毫米纤维长度的不同原料,将 PP 颗粒与 GF 机械共混。首先将混合物进料到注塑机的挤出机中以生产预样品。带有浇口和流道的预样品在破碎机中破碎,形成相同尺寸的小颗粒。将小颗粒再次注塑成型以获得最终的测试样品。这些阶段的主要目的是使 GF 更好地分布到 PP 中。重复整个过程,将长插入件添加到模具中以生产带有模制孔的样品。制造的样品具有切碎和随机取向的纤维。用模制孔制造的试样的代号和组成见表3.

表 3 带有模制孔的试样代码。
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钻孔工艺
钻孔过程使用配备 Boxford 电脑软件的 Boxford 300VMC i CNC 铣床进行。手动虎钳用于固定和始终如一地定位工件。钻孔过程中使用了由 AYKT 提供的 6 mm 直径的硬质合金麻花钻头(如 Mudhukrishnan 51在 GFR/PP 钻孔中所推荐的)。钻孔过程在干燥条件下进行,不使用冷却剂。钻孔是在复合样品背面的木板支撑下进行的。不同水平的实验因子采用田口法设计,如表4所示。

表 4 钻井过程的影响因素及其水平。
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实验设计
实验的全因子设计可识别给定因子集的所有可能组合。由于大多数工业实验通常涉及大量因子,因此全因子设计会产生更多实验。为了将实验次数减少到合理的水平,从所有可能性中只选择一小部分。田口分析提供了一套独特的设计指南,涵盖了因子实验的多个方面。田口方法的实验设计涉及组织过程参数和可能的变化水平的正交阵列。它以最少的实验确定影响产品质量的因素,从而节省资源和时间。在目前的工作中,钻孔过程的因素是纤维重量分数、主轴转速和进给速度。纤维重量分数的水平为 0、10、20 和 30 wt%。选定的切削速度级别为 1000、2000、3000 和 4000 rpm。而进给速率的水平取为 100、200、300 和 400 毫米/分钟。这些因素及其水平见表4.

钻孔实验使用 L16 混合正交阵列进行,包括 16 次运行,对应于田口方法的几个测试。实验布局如表5 所示。

表 5 不同钻孔条件下钻孔 PP 和 GFR/PP 的田口 L16 正交阵列。
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在田口的分析中,每个实验的值随后被转换为信噪比 (S/N),其中表示所需值(平均值)的术语是信号和不需要的值(标准偏差)表示为输出特性的噪声。在分析信噪比时,田口提出的质量特性如下56;

越大越好 小号/ Nr t i o _( h)=−10日志101n∑我= 1n1是2一世,
(1)
越小越好 小号/ Nr t i o _( h)=−10日志101n∑我= 1n是2一世,
(2)
标称最好 小号/ Nr t i o _( h)=−10日志10米2p2,
(3)
其中是观察到的响应值,定义了复制次数。是一世n

当实验的目标是最大化响应时,选择“越大越好”的质量特性是正确的选择(方程(1))。但是,如果实验的目标是最小化响应,则选择“越小越好”质量特性是正确的选择(方程(2))。“名义最好”(Eq. ( 3和标准差的信噪比(米)( p ). “标称最佳”信噪比可用于分析或识别比例因子,这些因子是平均值和标准偏差按比例变化的因子。比例因子可用于调整目标平均值而不影响信噪比。

在目前的工作中,目标是最大化 BS,因此选择“越大越好”的质量特性。

轴承测试
使用通用试验机(Testometric 200 kN)在室温下对具有不同纤维含量的模制试样和钻孔试样进行了一系列带销轴承的 ASTM D5961 测试。标准试样用于获得轴承失效模式,而不是如先前研究 20、57、58、59 所推荐的具有与灾难性断裂相关的较低载荷的净张力或剪切模式。标准试样的尺寸如图 2a 所示, 其中w/d = 6 和 e/d = 6。测试夹具由钢制成,符合图 2b 所示的几何 形状。

图 2
图 2
轴承试件及夹具;( a ) 轴承试样,( b ) 轴承夹具。

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结果与讨论
纤维长度分布 (FLD)
分析考虑了 12 和 24 毫米不同纤维原料长度 (FFSL) 的注塑成型纤维增强 PP 复合材料。在注塑成型零件中,数均纤维长度()和重均纤维长度()使用以下关系式获得;大号n大号在

大号n=∑F一世大号一世∑F一世,
(4)


大号在=∑F一世大号一世2∑F一世大号一世.
(5)
这些方程由参考文献提出。24 , 60,其中是样本中第 i 根光纤的长度,是光纤长度的频率。数均纤维长度始终是最小值,并且受到纤维和碎片数量的强烈影响。而重均纤维长度受长纤维部分的影响。值更能表达机械行为的预测24、60。大号一世F一世大号一世大号n大号在大号在

在 570 °C 的马弗炉中完全烧毁基质 4 小时后,获得了几张 GF 图像。对不同 FFSL 和 wt% 的所有类型的复合材料进行了燃尽测试。然后使用 ImageJ 软件分析图像并进行 + 500 次 GF 测量。

分析图像后,很明显,在注射成型过程后,纤维长度显着减少24、60、61、62、63、64、65。这是因为纤维在通过注射螺杆的注射过程中受到巨大的剪切应力,这导致纤维63的长度受到严重损坏。

图 3显示了描述具有不同 FFSL 和 wt% 的 PP 复合材料的 FLD 的直方图。直方图从 0.05 到 1 毫米的纤维长度开始,基于从测量中获得的纤维长度的最小值和最大值,步长为 0.05 毫米。

图 3
图 3
纤维长度分布(FLD);( a ) 10 wt%,( b ) 20 wt%,和 ( c ) 30 wt%。

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从图 3所示的直方图可以看出,所有成分的复合材料都显示出近似正态分布,并且在由 12 毫米 FFSL 制造的样品的情况下,注意到更高的频率向更长的纤维移动。24 mm 试样中短纤维的频率升高肯定会降低和的值。所有样本的和的值列于表6中。此外,通过将纤维重量分数从 10% 增加到 30%,纤维长度的频率趋向于在不同的 FFSL 之间接近。大号n大号在大号n大号在

表6 GF-PP复合材料的数均纤维长度和重均纤维长度(。(大号n)大号在)
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多项研究60、61、62、63、64讨论了纤维重量分数对注塑玻璃纤维增​​强热塑性塑料中纤维长度的影响。这些研究得出的结论是,纤维含量的增加导致所得复合材料中纤维长度的减少。库马尔等人。60将这种纤维长度的减少与由于复合材料中较高浓度的纤维之间的相互作用增加而对纤维造成的损坏增加有关。他们还表明,和大号n大号在随着 FFSL 增加到 9 mm,FFSL 增加,FFSL 进一步增加超过 9 mm 会产生相反的效果,其中和 都会减小。大号n大号在

从图 4可以看出,注塑成型后的平均纤维长度和纵横比随着 FFSL 从 12 毫米增加到 24 毫米而减小。例如,与 12 mm GF 相比,使用 24 mm GF 的 10 wt% 的因此,FFSL 增加超过 12 mm 可能会导致纤维纵横比显着降低,如图 4所示。从表6中还观察到,纤维重量分数的增加导致平均纤维长度略有减少,如参考文献之前观察到的那样。60 , 61 , 62 , 63 , 64大号在. 在整个工作中,基于上述结果,12 mm 和 24 mm 的 FFSL 将分别称为“长纤维/聚丙烯 (LFPP)”和“短纤维/聚丙烯 (SFPP)”。

图 4
图 4
纤维重量分数与纤维纵横比的关系。

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BS 模制孔
图 5表示不同 wt% 的 GFR/PP 复合材料的 BS 与 FFSL 之间的关系。该图显示 SFPP 复合材料的 BS 低于 LFPP 复合材料。观察到的 BS 降低从 10 wt% 的 2.85% 开始,到 30 wt% 的 5.95%。BS 的降低可能是由于在增加的 FFSL 下获得的复合材料中纤维的纵横比降低,如图 4所示。

图 5
图 5
不同重量分数的模内孔试样的 BS。

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从图 5还可以看出,基体中的纤维含量和长度对 GFR/PP 复合材料的 BS 有很大的影响。对于 SFPP 和 LFPP,BS 随着纤维 wt% 的增加而增加,对于 L00 以上的 L3012 样品提高了 9%。而对于 SFPP,BS 从 L00 样本到 L3024 样本仅增加 3%。由于 GF 增强材料的强度显着大于 PP,预计 BS 会因纤维 wt% 的增加而增加,增加 GF 的 wt% 会直接提高复合材料的 BS,如图 5所示。Subramanian 和 Senthilvelan 报告了类似的结果25其中 GFR/PP 板簧的 BS 高于未增强 PP 板簧的 BS。此外,随着纤维长度增加,BS 增加。此外,Asi 66表明,GFRE 的 BS 首先随着机织织物线密度的增加而增加(这表明纤维含量的增加),然后随着机织物线密度的额外增加而降低,这是由于空隙率和获得的复合材料的卷曲水平。

BS 从 L00 到 L3012 和 L3024 的改进百分比变化,L3012 (LFPP) 是 L3024 (SFPP) 的三倍,这可能与它们之间的平均纤维长度(纵横比)的差异有关,如发现在以前的研究中24、60。Subramanian 等人在哪里。24和库马尔等人。60发现复合材料的强度随着平均纤维长度的增加而增加。库马尔等人。60注意到复合材料的强度主要取决于纤维长径比(或纤维长度)而不是纤维含量,而平均纤维长度减少导致的复合材料强度降低几乎抵消了纤维含量增加导致的复合材料强度增加。

图 6 a、b 分别显示了 LFPP 和 SFPP 具有不同 GF wt% 的试样的应力-应变曲线。正如在图 5中已经讨论过的,图6中的应力应变曲线 也显示了轴承强度的提高,因为更高重量分数的纤维被引入到基体中,并且对于具有更长纤维的样品,BS 的进一步增强。从图 6还可以看出,GF/PP 复合材料的失效应变与纤维 wt% 成反比,这是由于与表1和表2中提到的 PP 的伸长率相比,GF 的伸长率降低。

图 6
图 6
应力-应变曲线;( a ) LFPP 和净 PP,( b ) SFPP 和净 PP。

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BS 钻孔
分别从实验 1 到实验 16 排序的 LFPP 和 SFPP测量的 BS 的实验结果、相应的 S/N 比值和每个试验的实验代码如表7所示。

表 7 L16正交阵列的设计和实验结果。
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表8和表9分别代表使用 Minitab 17 软件通过田口分析得出的每个因素对 LFPP 和 SFPP 响应参数 (BS) 的影响等级。Minitab 软件根据 Delta 值分配等级;rank 1 表示 Delta 的最大值,rank 2 表示 Delta 的第二高值,依此类推,以表示每个因素对响应 (BS) 的相应影响。对于 LFPP,重量分数是对 BS 最有效的因素,其次是速度,然后是进料。对于 SFPP,对 BS 最有效的因素是速度,其次是进料,然后是重量分数。注意到 LFPP 和 SFPP 之间因子的不同等级。

表 8 钻孔 LFPP 的 S/N 比和 BS 响应表。
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表 9 钻孔 SFPP 信噪比和 BS 的响应表。
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获得了方差分析一般线性模型和单因素方差分析,以描述每个因素的响应,其中假设分析的方差相等。ANOVA 一般线性模型和单向 ANOVA 的结果分别总结在表10和11中。将每个因子的 p 值与显着性水平 (α = 0.05) 进行比较表明,对于 LFPP 重量分数的 p 值小于显着性水平 α (p 值 = 0.003),表10. 而进给和速度的 p 值高于 α。然而,在 SFPP 的情况下,速度的 p 值低于显着性水平 α(p 值 = 0.005)。而进料和重量分数的 p 值高于 α。在 LFPP 的情况下,重量分数是影响 BS 的最重要因素。BS 随着重量分数的增加而增加,与纯 PP 相比,对于 30 wt%,BS 的最大改善为 9%。如图7所示,由于斜率梯度非常小,速度和进给量的影响不大 。SFPP 得到了不同的结果,其中速度是影响 BS 的重要因素。BS 随着速度从 1000 到 4000 rpm 增加而减小。另一方面,重量分数和进料对BS的影响很小,斜率很小,如图 7所示. ANOVA 的结果与使用 Minitab 17 软件获得的结果非常吻合。在 SFPP 的情况下,重量分数对 BS 的影响不存在可能是由于加权平均纤维长度的减少,这为加工参数清除了场,以显示它们对以主轴速度表示的 GFR/PP 复合材料的 BS 的影响。

表 10 不同钻孔条件下钻孔 PP 和 GFR/PP 的 ANOVA 一般线性模型。
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表 11 不同钻孔条件下钻孔 PP 和 GFR/PP 的单因素方差分析。
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图 7
图 7
LFPP 和 SFPP 的 BS 和 S/N 值的平均效应图。

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与机加工孔相比,模内孔的 BS
模内与钻孔的 BS
图 8 a、b 分别显示了 LFPP 和 SFPP 试样的模制孔和机加工孔的 BS 之间的差异。从图中可以清楚地看出,在所有重量分数和纤维长度上,模内孔的 BS 都略好于机加工孔的 BS。钻孔过程的附带损害在降低带钻孔试样的 BS 中起着重要作用。图 8a中的斜率显示了 LFPP 的模内和机加工试样的相似行为,其中它们具有相同的 BS 随着纤维重量分数的增加而增加的速率。带有模制孔的试样的 BS 平均增加量比钻孔试样高 1%。而图 8的斜率b 与 SFPP 的机加工孔试样相比,模内孔试样的 BS 增加率随着纤维重量分数的增加而略高。与钻孔样品相比,带有模制孔的样品的 BS 增加范围从纯 PP 的 0.8% 到 30 wt% GF 的 2.6%。

图 8
图 8
模内孔与机加工孔的 BS;(一)LFPP,(乙)SFPP。

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Hufenbach 等人的轴承测试结果。图30表明,与钻孔配置相比,织物增强热塑性塑料模制孔能够承受更大的载荷。

试件承重试验失效分析
实验上,机械紧固接头在四种基本机制下失效;净张力、剪切、解理破坏和轴承破坏。由于最终失效20的灾难性性质,净张力、剪切和解理失效模式是不可取的。轴承失效,其特征是施加的载荷逐渐减小,被认为是理想的失效模式38 , 67。纤维增强材料的失效破坏可能归因于基体开裂、纤维断裂、纤维-基体界面剥离及其组合68。在本节中,通过观察破坏面来评估螺栓连接复合材料的破坏模式。图 9显示了在轴承中测试的具有不同重量分数和纤维长度的模内试样的失效形态。从图 9可以看出,由于轴承试验,目前工作中出现了两种失效模式。第一种失效模式是纯承载模式,在纯 PP 试样 (L00) 中表示,如图 9a所示。第二种失效模式是 GFR/PP 复合试样的混合失效模式(净张力/承载模式),如图 9 b-g 所示。注意到不同纤维长度之间的类似失效模式,而承载能力随着纤维重量分数的增加而降低。因此,对于图 9所示的 L3012 和 L3024 试样f,g 轴承失效几乎没有发生,而整洁的 PP 获得了令人印象深刻的承载能力,如图 9a所示。

图 9
图 9
轴承内模制孔试样的失效形态;( a ) 纯 PP, ( b ) 10 wt% GF (12 mm 初始长度) + 90 wt% PP, ( c ) 10 wt% GF (24 mm 初始长度) + 90 wt% PP, ( d ) 20 wt% GF (12 mm 初始长度) + 80 wt% PP, ( e ) 20 wt% GF (24 mm 初始长度) + 80 wt% PP, ( f ) 30 wt% GF (12 mm 初始长度) + 70 wt% PP , 和 ( g ) 30 wt% GF (12 mm 初始长度) + 70 wt% PP。

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L1012 和 L3012 试样断裂带的 SEM 显微照片分别如图 10a  、 b 所示。L3012 试样的基体脆性断裂比 L1012 试样更明显,这与 L3012 试样的应力-应变曲线的脆性成正比,如图 6所示。此外,从图 10可以看出,由于试样断裂,两个试样的基体中明显有大量纤维被拉出。

图 10
图 10
试样断裂带横截面的 SEM 图像;( a ) 10 wt% GF (12 mm 初始长度) + 90 wt% PP 和 ( b ) 30 wt% GF (12 mm 初始长度) + 70 wt% PP。

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图 11包括一些加工孔试样的失效形态之外的应力-应变关系。混合失效模式(净张力/轴承模式)出现在所有具有机加工孔的样品上,除了 30 wt% GF 样品,其仅在净张力模式下失效,如图 11所示。模内试样和钻孔试样之间失效模式的变化可能归因于与钻孔过程相关的损伤。

图 11
图 11
钻孔试样的破坏形态和承载应力-应变曲线。

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结论
本研究对通过注塑技术制造的 GFR/PP 复合材料相关的 BS 进行了实验和统计分析,该技术在各种钻孔条件下具有模内或钻孔。获得的结果可以总结如下:

发现注入较长 FFSL 的样品的 BS 比较短的样品具有更低的 BS,这是由于在注塑过程后观察到生产的样品中重均纤维长度的减少。观察到的 BS 降低从 10 wt% 的 2.85% 到 30 wt% GFR/PP 的 5.95%。

对于具有模制孔的试样,对于 LFPP 和 SFPP,BS 随着纤维重量分数的增加而增加。对于 LFPP,L3012 试样在 L00 以上获得了 9% 的改进。而对于 SFPP,BS 从 L00 样本到 L3024 样本仅增加 3%。

对于钻孔试样,ANOVA 和田口分析的结果表明,加工条件和重量分数对 BS 的影响在 LFPP 和 SFPP 试样之间是不同的;对于 LFPP,最重要的因素是重量分数,而钻孔条件(速度和进给)被发现不太重要。然而,对于 SFPP,主轴速度被发现是最重要的因素,其次是进给量,而重量分数的影响最小。

重量分数的增加导致模内和机加工孔样品的 BS 增加。

对于所有使用的重量分数和纤维长度,模制孔的 BS 略好于机加工孔的 BS;对于 LFPP,带有模制孔的试样的 BS 平均增加量比钻孔试样高 1%。而对于 SFPP,与钻孔试样相比,带有模制孔的试样的 BS 增加范围从纯 PP 的 0.8% 到 30 wt% GFR/PP 的 2.6%。

断裂试样的形态分析表明;对于模内孔试样,普通 PP 试样在纯轴承失效模式下失效。而 GFR/PP 试样在承载和净张力混合模式下失效。对于机加工孔试样,所有试样均在承载和净张力混合模式下失效,除了仅在净张力失效模式下失效的 30 wt% GFR/PP 试样。


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发表于 2022-8-31 09:08:42 | 显示全部楼层
好好 学习了 确实不错
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发表于 2022-8-31 10:01:43 | 显示全部楼层
支持一下
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发表于 2022-8-31 11:45:08 | 显示全部楼层
相当不错,感谢无私分享精神!
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发表于 2022-8-31 12:33:16 | 显示全部楼层
谢谢楼主,共同发展
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发表于 2022-8-31 12:59:26 | 显示全部楼层
找到好贴不容易,我顶你了,谢了
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发表于 2022-8-31 15:12:32 | 显示全部楼层
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