GFR/PP復(fù)合材料模內(nèi)孔和機(jī)加工孔的承載強(qiáng)度比較

中國(guó)注塑網(wǎng)

本研究旨在研究重量分?jǐn)?shù) (wt%) 和纖維原料長(zhǎng)度 (FFSL) 對(duì)通過(guò)注塑成型技術(shù)制造的玻璃纖維增​​強(qiáng) (GFR) 聚丙烯 (PP) 復(fù)合材料中螺栓接頭承載強(qiáng)度 (BS) 的影響. 對(duì)通過(guò)模制或機(jī)加工產(chǎn)生的孔進(jìn)行了調(diào)查。對(duì)于加工孔，討論了鉆孔參數(shù)（進(jìn)給和速度）對(duì) BS 的影響?？梢杂^察到，BS 隨著 FFSL 的增加而降低。通過(guò)增加玻璃纖維的 wt%，模壓試樣和鉆孔試樣的 BS 均得到提高。雖然觀察到模制試樣的 BS 略好于所有試樣的鉆孔試樣。鉆孔條件對(duì) BS 的影響對(duì)于長(zhǎng)纖維增強(qiáng) PP 中的鉆孔來(lái)說(shuō)是微不足道的，其中最顯著的因素是 wt%。然而，對(duì)于短纖維增強(qiáng) PP，主軸轉(zhuǎn)速是最顯著的因素，其次是進(jìn)料，而 wt% 的影響最小。試件的破壞形態(tài)模式表明，對(duì)于模內(nèi)試件，純 PP 試件在純承載模式下失效，而 GFR/PP 試件在混合模式（承載和凈張力）下失效。對(duì)于機(jī)加工試樣，除了在凈張力下失效的最高 wt% 試樣外，所有試樣均在混合模式下失效。

介紹
最近，熱塑性材料的使用一直在穩(wěn)步增加，因?yàn)樗鼈兲峁┝霜?dú)特的性能集合。強(qiáng)度重量比、耐環(huán)境性、快速加工、卓越的高溫性能和可回收性是熱塑性塑料的一些優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使其優(yōu)于其他材料1、2、3。添加纖維被廣泛用于增強(qiáng)基于聚合物的復(fù)合材料，以使其在應(yīng)用中更加可靠。為了使用纖維增強(qiáng)聚合物 (FRP) 作為結(jié)構(gòu)元件，這些材料必須滿足一些要求，例如剛度、強(qiáng)度、耐用性、沖擊和壓碎，以便在關(guān)鍵部件的制造和組裝中更有用2. 已經(jīng)使用纖維增強(qiáng)熱塑性塑料生產(chǎn)了各種汽車零件，因?yàn)樗鼈兊妮p量化效果已在非承重4和半承重部件中得到證明。這些部件包括電池盒5、6、7、碰撞盒8、輕質(zhì)車輪9、前端模塊10、汽車座椅11、12、板簧13和引擎蓋14。特別是，GFR/PP 似乎在土木工程領(lǐng)域的房屋、屏障、梁和橋面等預(yù)制結(jié)構(gòu)的建造中具有很好的應(yīng)用潛力15. Vaidya 和 Chawla 16設(shè)計(jì)并制造了由 GFR/PP 制成的耐用巴士座椅，與常用座椅設(shè)計(jì)相比，重量和總生產(chǎn)成本分別節(jié)省了 43% 和 18%。

接頭代表了這些關(guān)鍵部件之一，其中螺栓在結(jié)構(gòu)應(yīng)用、飛機(jī)制造、航空航天、汽車和其他具有高性能的工程應(yīng)用（包括體育用品、風(fēng)能結(jié)構(gòu)和醫(yī)療器械）中提供連接 FRP 的主要手段17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23。GFR/PP 的接頭強(qiáng)度被發(fā)現(xiàn)適用于板簧的設(shè)計(jì)，因此這些類型的材料可用于接頭應(yīng)用24、25、26。此外，Anandakumar 等人。27與鋼相比，GFR/PP 控制臂作為懸架系統(tǒng)的承重部件獲得了卓越的性能。接頭設(shè)計(jì)對(duì) FRP 結(jié)構(gòu)特別感興趣，因?yàn)榻宇^代表了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的最薄弱點(diǎn)以及復(fù)合材料通過(guò)屈服20重新分配局部高應(yīng)力的能力。BS是聯(lián)合設(shè)計(jì)中必須考慮的重要屬性。

連接 FRP 所需的孔通常是通過(guò)鉆孔工藝制造的，這會(huì)削弱加固結(jié)構(gòu)。Nejhad 和 Chou 28解釋說(shuō)，鉆孔顯著降低了碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用模制孔可以避免纖維的全厚度切割。Nejhad 和 Chou 29認(rèn)為，就所有實(shí)際目的而言，模內(nèi)孔比鉆孔更可取。因此，開(kāi)發(fā)了許多替代的孔成型技術(shù)。胡芬巴赫等人。30使用了一種基于光纖移動(dòng)的技術(shù)，該技術(shù)能夠無(wú)損地制造孔。布魯克斯坦和蔣31發(fā)現(xiàn)與石墨纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中的機(jī)加工孔相比，整體形成的編織孔使接頭 BS 增加了 180%。張等人。圖32顯示，在通過(guò) Kevlar/環(huán)氧樹脂、石墨/環(huán)氧樹脂和 Kevlar-石墨/環(huán)氧樹脂混合復(fù)合材料的銷負(fù)載進(jìn)行機(jī)械連接的研究中，與鉆孔樣品相比，具有模制孔的樣品強(qiáng)度提高了 0.12-61.23%。

林等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖33可以看出，相對(duì)于鉆孔，具有模內(nèi)孔的編織玻璃粗紗復(fù)合材料 (0,90) s存在較大的破壞強(qiáng)度、較小的初始剛度和較大的破壞應(yīng)變。然而，對(duì)于 (45, - 45) s，除了失效應(yīng)變外，失效強(qiáng)度和初始剛度沒(méi)有任何改善。Zitoune 等人。圖34觀察到編織碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的模制孔比鉆孔顯示出高 30% 的強(qiáng)度和低 100% 的應(yīng)變。布朗等人。35表明，對(duì)于碳纖維/PEEK熱塑性復(fù)合材料的先進(jìn)制造，與鉆孔相比，通過(guò)熱輔助穿孔技術(shù)生產(chǎn)孔時(shí)可以獲得更好的開(kāi)孔拉伸和壓縮性能。藤田等人。36發(fā)現(xiàn)對(duì)于編織玻璃纖維增​​強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料 (GFRE)，編織孔的接頭強(qiáng)度大于機(jī)加工孔的接頭強(qiáng)度。此外，赫茲伯格等人。37發(fā)現(xiàn)帶有一體成型孔的緯編和機(jī)織玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的 BS 比帶有鉆孔的高 20%。杜蘭特和朗格拉38發(fā)現(xiàn)帶有模制孔的 GFRE 復(fù)合材料樣品的 BS 較高，該樣品是通過(guò)在孔周圍移動(dòng)纖維制成的，而帶有通過(guò)鉆孔切割纖維制成的孔的樣品的 BS。Dickson 和 Dowling 39發(fā)現(xiàn)，如果進(jìn)行雙剪切測(cè)試，帶有鉆孔的 3D 打印碳纖維/尼龍復(fù)合材料的 BS 比“Tailor Woven”集成孔的 BS 低 63%。Clark 40得出結(jié)論，與鉆孔相比，切割碳纖維/尼龍復(fù)合材料在失效時(shí)的軸承應(yīng)力和軸承應(yīng)變平均增加了 31% 和 86.8。 ％， 分別。

相反，Ataş 等人。41得出的結(jié)論是，由于制造過(guò)程中纖維的錯(cuò)位增加，具有模內(nèi)孔的三軸編織碳纖維/環(huán)氧樹脂試樣的 BS 比具有鉆孔的試樣降低。Wang 的42三軸編織玻璃粗紗/環(huán)氧樹脂試樣和機(jī)加工孔之間的比較表明，與機(jī)加工孔相比，編織孔的承載能力相似甚至更低。

對(duì)于機(jī)加工孔，帶鉆孔的 FRP 的 BS 主要受加工條件的影響。卡沙巴等人。如圖19、20、21所示，GFRE的試樣剛度和 BS 隨著進(jìn)給速度和切削速度的增加而降低。Khashaba 和 El-Keran 43觀察到以 16.3 m/min 的速度鉆孔的編織 GFRE 復(fù)合材料的 BS 低于以 32.7 m/min 的鉆孔速度，而進(jìn)給值在 16.3 m/min 的速度下對(duì) BS 的影響微不足道，但它在 32.7 m/min（增加然后減少）時(shí)具有明顯的效果。Krishnaraj 等人。圖44說(shuō)明了與其他主軸速度和進(jìn)給相比，以3000 rpm的轉(zhuǎn)速和0.02 mm/rev的進(jìn)給率進(jìn)行鉆孔導(dǎo)致最高的BS。Tagliaferri 等人。45得出結(jié)論，對(duì)于給定的鉆孔速度與進(jìn)給速率比，通過(guò)對(duì) GFRE 試樣采用較低的鉆孔速度可以獲得更好的 BS 結(jié)果。Srinivasa Rao 等人。46發(fā)現(xiàn)在編織 GFRE 復(fù)合層壓板的鉆孔中優(yōu)選小進(jìn)給速率。王等人。圖47表明鉆孔 GFRE 層壓板時(shí)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給對(duì) BS 的影響微不足道。

處理熱塑性基體復(fù)合材料鉆孔的研究涵蓋了 Ilio 等人的一些方面。48討論了在由石墨纖維增強(qiáng)的熱塑性基體制成的單向復(fù)合材料中鉆孔引起的損傷，涉及不同的加工參數(shù)。Hocheng 和 Puw 49 , 50證明碳纖維增強(qiáng)的丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 復(fù)合材料在鉆孔中與環(huán)氧基復(fù)合材料相比具有良好的機(jī)械加工性。穆杜克里希南等人。51討論了鉆頭材料、主軸速度和進(jìn)給速率對(duì)編織玻璃纖維增​​強(qiáng)聚丙烯層壓板的分層和推力的影響。

制造具有無(wú)需進(jìn)一步加工的現(xiàn)成孔的零件將注塑成型與其他制造技術(shù)區(qū)分開(kāi)來(lái)。注塑成型可以靈活地提供用短纖維增強(qiáng)的熱塑性結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)包括接頭強(qiáng)度在內(nèi)的強(qiáng)度。然而，通過(guò)增加噴丸纖維含量52來(lái)增強(qiáng)接頭強(qiáng)度是有限度的。盡管用連續(xù)纖維增強(qiáng)注塑成型部件是不可能的，但是可以使用嵌入的局部連續(xù)纖維52來(lái)增強(qiáng)孔。此外，通過(guò)注塑成型53、54，可以通過(guò)金屬嵌件提高接合性能的余量，其中可以確保塑料和金屬之間的直接粘合。55.

根據(jù)我們的知識(shí)，從以前的文獻(xiàn)中可以清楚地看出，有限的研究工作涉及研究重量分?jǐn)?shù)對(duì)注射成型短切玻璃纖維增​​強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的 BS 的影響。此外，還很少有研究比較此類材料的模內(nèi)孔和鉆孔的 BS。此外，沒(méi)有系統(tǒng)研究表明加工條件對(duì)此類材料的 BS 的影響。因此，本工作旨在研究玻璃纖維重量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)注射成型短切玻璃纖維增​​強(qiáng)熱塑性 (PP) 復(fù)合材料的 BS 的影響。進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查，以比較這類復(fù)合材料的模內(nèi)孔和鉆孔的 BS。此外，還研究了鉆孔參數(shù)（進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速）對(duì)加工孔試樣BS的影響。

材料和實(shí)驗(yàn)工作
材料
本工作中使用的基體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纖維 (GF) 是 E-玻璃短切原絲，長(zhǎng)絲短切長(zhǎng)度為 12 和 24 毫米，由 JUSHI Co. 提供。GF 和 PP 的機(jī)械和物理性能分別列于表1和表2中。

表 1 增強(qiáng)玻璃纖維 (GF) 的機(jī)械和物理性能。
全尺寸表
表 2 基體聚丙烯 (PP) 的機(jī)械和物理性能。
全尺寸表
標(biāo)本制作
用于軸承測(cè)試的樣品是使用海天 PL1200 注塑機(jī)注塑成型，最大鎖模力為 1200 KN。該模具經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)、制造和檢查，以根據(jù) ASTM D5961 軸承試樣標(biāo)準(zhǔn)檢查其是否適合生產(chǎn)所需試樣。在該模具中，每個(gè)試樣都考慮了相同的塑料流動(dòng)方向，以避免形成可能導(dǎo)致裂紋的熔接線的可能性。

模具配有兩個(gè)直徑為 6 mm 的嵌件；短插入和長(zhǎng)插入。短嵌件用于沒(méi)有模制孔的試樣（這些孔將在以后使用機(jī)械加工工藝鉆孔），圖 1 a，而長(zhǎng)嵌件用于具有模制孔的試樣（這些孔是作為注塑過(guò)程的結(jié)果）如圖 1b所示。

圖1
圖1
模具；( a ) 帶有短嵌件的模具，( b ) 帶有長(zhǎng)嵌件的模具，用于帶有模制孔的試樣。

全尺寸圖片
為了生產(chǎn)測(cè)試樣品，沿著注塑機(jī)的機(jī)筒溫度分布被調(diào)整為 140、160、180、220 和 244 °C。在添加PP和GF的過(guò)程中調(diào)整機(jī)筒溫度。制造過(guò)程可描述如下；首先，將整潔的 PP 軸承試樣注塑成型。其次，使用 10、20 和 30 wt% 的不同重量分?jǐn)?shù)的 PP 和具有 12 毫米和 24 毫米纖維長(zhǎng)度的不同原料，將 PP 顆粒與 GF 機(jī)械共混。首先將混合物進(jìn)料到注塑機(jī)的擠出機(jī)中以生產(chǎn)預(yù)樣品。帶有澆口和流道的預(yù)樣品在破碎機(jī)中破碎，形成相同尺寸的小顆粒。將小顆粒再次注塑成型以獲得最終的測(cè)試樣品。這些階段的主要目的是使 GF 更好地分布到 PP 中。重復(fù)整個(gè)過(guò)程，將長(zhǎng)插入件添加到模具中以生產(chǎn)帶有模制孔的樣品。制造的樣品具有切碎和隨機(jī)取向的纖維。用模制孔制造的試樣的代號(hào)和組成見(jiàn)表3.

表 3 帶有模制孔的試樣代碼。
全尺寸表
鉆孔工藝
鉆孔過(guò)程使用配備 Boxford 電腦軟件的 Boxford 300VMC i CNC 銑床進(jìn)行。手動(dòng)虎鉗用于固定和始終如一地定位工件。鉆孔過(guò)程中使用了由 AYKT 提供的 6 mm 直徑的硬質(zhì)合金麻花鉆頭（如 Mudhukrishnan 51在 GFR/PP 鉆孔中所推薦的）。鉆孔過(guò)程在干燥條件下進(jìn)行，不使用冷卻劑。鉆孔是在復(fù)合樣品背面的木板支撐下進(jìn)行的。不同水平的實(shí)驗(yàn)因子采用田口法設(shè)計(jì)，如表4所示。

表 4 鉆井過(guò)程的影響因素及其水平。
全尺寸表
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)的全因子設(shè)計(jì)可識(shí)別給定因子集的所有可能組合。由于大多數(shù)工業(yè)實(shí)驗(yàn)通常涉及大量因子，因此全因子設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生更多實(shí)驗(yàn)。為了將實(shí)驗(yàn)次數(shù)減少到合理的水平，從所有可能性中只選擇一小部分。田口分析提供了一套獨(dú)特的設(shè)計(jì)指南，涵蓋了因子實(shí)驗(yàn)的多個(gè)方面。田口方法的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)涉及組織過(guò)程參數(shù)和可能的變化水平的正交陣列。它以最少的實(shí)驗(yàn)確定影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素，從而節(jié)省資源和時(shí)間。在目前的工作中，鉆孔過(guò)程的因素是纖維重量分?jǐn)?shù)、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。纖維重量分?jǐn)?shù)的水平為 0、10、20 和 30 wt%。選定的切削速度級(jí)別為 1000、2000、3000 和 4000 rpm。而進(jìn)給速率的水平取為 100、200、300 和 400 毫米/分鐘。這些因素及其水平見(jiàn)表4.

鉆孔實(shí)驗(yàn)使用 L16 混合正交陣列進(jìn)行，包括 16 次運(yùn)行，對(duì)應(yīng)于田口方法的幾個(gè)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)布局如表5 所示。

表 5 不同鉆孔條件下鉆孔 PP 和 GFR/PP 的田口 L16 正交陣列。
全尺寸表
在田口的分析中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的值隨后被轉(zhuǎn)換為信噪比 (S/N)，其中表示所需值（平均值）的術(shù)語(yǔ)是信號(hào)和不需要的值（標(biāo)準(zhǔn)偏差）表示為輸出特性的噪聲。在分析信噪比時(shí)，田口提出的質(zhì)量特性如下56；

越大越好 小號(hào)/ Nr t i o _( h)=−10日志101n∑我= 1n1是2一世,
(1)
越小越好 小號(hào)/ Nr t i o _( h)=−10日志101n∑我= 1n是2一世,
(2)
標(biāo)稱最好 小號(hào)/ Nr t i o _( h)=−10日志10米2p2,
(3)
其中是觀察到的響應(yīng)值，定義了復(fù)制次數(shù)。是一世n

當(dāng)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是最大化響應(yīng)時(shí)，選擇“越大越好”的質(zhì)量特性是正確的選擇（方程（1））。但是，如果實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是最小化響應(yīng)，則選擇“越小越好”質(zhì)量特性是正確的選擇（方程（2））。“名義最好”（Eq. ( 3和標(biāo)準(zhǔn)差的信噪比(米)( p ). “標(biāo)稱最佳”信噪比可用于分析或識(shí)別比例因子，這些因子是平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差按比例變化的因子。比例因子可用于調(diào)整目標(biāo)平均值而不影響信噪比。

在目前的工作中，目標(biāo)是最大化 BS，因此選擇“越大越好”的質(zhì)量特性。

軸承測(cè)試
使用通用試驗(yàn)機(jī)（Testometric 200 kN）在室溫下對(duì)具有不同纖維含量的模制試樣和鉆孔試樣進(jìn)行了一系列帶銷軸承的 ASTM D5961 測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)試樣用于獲得軸承失效模式，而不是如先前研究 20、57、58、59 所推薦的具有與災(zāi)難性斷裂相關(guān)的較低載荷的凈張力或剪切模式。標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸如圖 2a 所示， 其中w/d = 6 和 e/d = 6。測(cè)試夾具由鋼制成，符合圖 2b 所示的幾何 形狀。

圖 2
圖 2
軸承試件及夾具；( a ) 軸承試樣，( b ) 軸承夾具。

全尺寸圖片
結(jié)果與討論
纖維長(zhǎng)度分布 (FLD)
分析考慮了 12 和 24 毫米不同纖維原料長(zhǎng)度 (FFSL) 的注塑成型纖維增強(qiáng) PP 復(fù)合材料。在注塑成型零件中，數(shù)均纖維長(zhǎng)度（）和重均纖維長(zhǎng)度（）使用以下關(guān)系式獲得；大號(hào)n大號(hào)在

大號(hào)n=∑F一世大號(hào)一世∑F一世,
(4)
和

大號(hào)在=∑F一世大號(hào)一世2∑F一世大號(hào)一世.
(5)
這些方程由參考文獻(xiàn)提出。24 , 60，其中是樣本中第 i 根光纖的長(zhǎng)度，是光纖長(zhǎng)度的頻率。數(shù)均纖維長(zhǎng)度始終是最小值，并且受到纖維和碎片數(shù)量的強(qiáng)烈影響。而重均纖維長(zhǎng)度受長(zhǎng)纖維部分的影響。值更能表達(dá)機(jī)械行為的預(yù)測(cè)24、60。大號(hào)一世F一世大號(hào)一世大號(hào)n大號(hào)在大號(hào)在

在 570 °C 的馬弗爐中完全燒毀基質(zhì) 4 小時(shí)后，獲得了幾張 GF 圖像。對(duì)不同 FFSL 和 wt% 的所有類型的復(fù)合材料進(jìn)行了燃盡測(cè)試。然后使用 ImageJ 軟件分析圖像并進(jìn)行 + 500 次 GF 測(cè)量。

分析圖像后，很明顯，在注射成型過(guò)程后，纖維長(zhǎng)度顯著減少24、60、61、62、63、64、65。這是因?yàn)槔w維在通過(guò)注射螺桿的注射過(guò)程中受到巨大的剪切應(yīng)力，這導(dǎo)致纖維63的長(zhǎng)度受到嚴(yán)重?fù)p壞。

圖 3顯示了描述具有不同 FFSL 和 wt% 的 PP 復(fù)合材料的 FLD 的直方圖。直方圖從 0.05 到 1 毫米的纖維長(zhǎng)度開(kāi)始，基于從測(cè)量中獲得的纖維長(zhǎng)度的最小值和最大值，步長(zhǎng)為 0.05 毫米。

圖 3
圖 3
纖維長(zhǎng)度分布（FLD）；( a ) 10 wt%，( b ) 20 wt%，和 ( c ) 30 wt%。

全尺寸圖片
從圖 3所示的直方圖可以看出，所有成分的復(fù)合材料都顯示出近似正態(tài)分布，并且在由 12 毫米 FFSL 制造的樣品的情況下，注意到更高的頻率向更長(zhǎng)的纖維移動(dòng)。24 mm 試樣中短纖維的頻率升高肯定會(huì)降低和的值。所有樣本的和的值列于表6中。此外，通過(guò)將纖維重量分?jǐn)?shù)從 10% 增加到 30%，纖維長(zhǎng)度的頻率趨向于在不同的 FFSL 之間接近。大號(hào)n大號(hào)在大號(hào)n大號(hào)在

表6 GF-PP復(fù)合材料的數(shù)均纖維長(zhǎng)度和重均纖維長(zhǎng)度(。（大號(hào)n)大號(hào)在)
全尺寸表
多項(xiàng)研究60、61、62、63、64討論了纖維重量分?jǐn)?shù)對(duì)注塑玻璃纖維增​​強(qiáng)熱塑性塑料中纖維長(zhǎng)度的影響。這些研究得出的結(jié)論是，纖維含量的增加導(dǎo)致所得復(fù)合材料中纖維長(zhǎng)度的減少。庫(kù)馬爾等人。60將這種纖維長(zhǎng)度的減少與由于復(fù)合材料中較高濃度的纖維之間的相互作用增加而對(duì)纖維造成的損壞增加有關(guān)。他們還表明，和大號(hào)n大號(hào)在隨著 FFSL 增加到 9 mm，F(xiàn)FSL 增加，F(xiàn)FSL 進(jìn)一步增加超過(guò) 9 mm 會(huì)產(chǎn)生相反的效果，其中和 都會(huì)減小。大號(hào)n大號(hào)在

從圖 4可以看出，注塑成型后的平均纖維長(zhǎng)度和縱橫比隨著 FFSL 從 12 毫米增加到 24 毫米而減小。例如，與 12 mm GF 相比，使用 24 mm GF 的 10 wt% 的因此，F(xiàn)FSL 增加超過(guò) 12 mm 可能會(huì)導(dǎo)致纖維縱橫比顯著降低，如圖 4所示。從表6中還觀察到，纖維重量分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致平均纖維長(zhǎng)度略有減少，如參考文獻(xiàn)之前觀察到的那樣。60 , 61 , 62 , 63 , 64大號(hào)在. 在整個(gè)工作中，基于上述結(jié)果，12 mm 和 24 mm 的 FFSL 將分別稱為“長(zhǎng)纖維/聚丙烯 (LFPP)”和“短纖維/聚丙烯 (SFPP)”。

圖 4
圖 4
纖維重量分?jǐn)?shù)與纖維縱橫比的關(guān)系。

全尺寸圖片
BS 模制孔
圖 5表示不同 wt% 的 GFR/PP 復(fù)合材料的 BS 與 FFSL 之間的關(guān)系。該圖顯示 SFPP 復(fù)合材料的 BS 低于 LFPP 復(fù)合材料。觀察到的 BS 降低從 10 wt% 的 2.85% 開(kāi)始，到 30 wt% 的 5.95%。BS 的降低可能是由于在增加的 FFSL 下獲得的復(fù)合材料中纖維的縱橫比降低，如圖 4所示。

圖 5
圖 5
不同重量分?jǐn)?shù)的模內(nèi)孔試樣的 BS。

全尺寸圖片
從圖 5還可以看出，基體中的纖維含量和長(zhǎng)度對(duì) GFR/PP 復(fù)合材料的 BS 有很大的影響。對(duì)于 SFPP 和 LFPP，BS 隨著纖維 wt% 的增加而增加，對(duì)于 L00 以上的 L3012 樣品提高了 9%。而對(duì)于 SFPP，BS 從 L00 樣本到 L3024 樣本僅增加 3%。由于 GF 增強(qiáng)材料的強(qiáng)度顯著大于 PP，預(yù)計(jì) BS 會(huì)因纖維 wt% 的增加而增加，增加 GF 的 wt% 會(huì)直接提高復(fù)合材料的 BS，如圖 5所示。Subramanian 和 Senthilvelan 報(bào)告了類似的結(jié)果25其中 GFR/PP 板簧的 BS 高于未增強(qiáng) PP 板簧的 BS。此外，隨著纖維長(zhǎng)度增加，BS 增加。此外，Asi 66表明，GFRE 的 BS 首先隨著機(jī)織織物線密度的增加而增加（這表明纖維含量的增加），然后隨著機(jī)織物線密度的額外增加而降低，這是由于空隙率和獲得的復(fù)合材料的卷曲水平。

BS 從 L00 到 L3012 和 L3024 的改進(jìn)百分比變化，L3012 (LFPP) 是 L3024 (SFPP) 的三倍，這可能與它們之間的平均纖維長(zhǎng)度（縱橫比）的差異有關(guān)，如發(fā)現(xiàn)在以前的研究中24、60。Subramanian 等人在哪里。24和庫(kù)馬爾等人。60發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的強(qiáng)度隨著平均纖維長(zhǎng)度的增加而增加。庫(kù)馬爾等人。60注意到復(fù)合材料的強(qiáng)度主要取決于纖維長(zhǎng)徑比（或纖維長(zhǎng)度）而不是纖維含量，而平均纖維長(zhǎng)度減少導(dǎo)致的復(fù)合材料強(qiáng)度降低幾乎抵消了纖維含量增加導(dǎo)致的復(fù)合材料強(qiáng)度增加。

圖 6 a、b 分別顯示了 LFPP 和 SFPP 具有不同 GF wt% 的試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。正如在圖 5中已經(jīng)討論過(guò)的，圖6中的應(yīng)力應(yīng)變曲線 也顯示了軸承強(qiáng)度的提高，因?yàn)楦咧亓糠謹(jǐn)?shù)的纖維被引入到基體中，并且對(duì)于具有更長(zhǎng)纖維的樣品，BS 的進(jìn)一步增強(qiáng)。從圖 6還可以看出，GF/PP 復(fù)合材料的失效應(yīng)變與纖維 wt% 成反比，這是由于與表1和表2中提到的 PP 的伸長(zhǎng)率相比，GF 的伸長(zhǎng)率降低。

圖 6
圖 6
應(yīng)力-應(yīng)變曲線；( a ) LFPP 和凈 PP，( b ) SFPP 和凈 PP。

全尺寸圖片
BS 鉆孔
分別從實(shí)驗(yàn) 1 到實(shí)驗(yàn) 16 排序的 LFPP 和 SFPP測(cè)量的 BS 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、相應(yīng)的 S/N 比值和每個(gè)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)代碼如表7所示。

表 7 L16正交陣列的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
全尺寸表
表8和表9分別代表使用 Minitab 17 軟件通過(guò)田口分析得出的每個(gè)因素對(duì) LFPP 和 SFPP 響應(yīng)參數(shù) (BS) 的影響等級(jí)。Minitab 軟件根據(jù) Delta 值分配等級(jí)；rank 1 表示 Delta 的最大值，rank 2 表示 Delta 的第二高值，依此類推，以表示每個(gè)因素對(duì)響應(yīng) (BS) 的相應(yīng)影響。對(duì)于 LFPP，重量分?jǐn)?shù)是對(duì) BS 最有效的因素，其次是速度，然后是進(jìn)料。對(duì)于 SFPP，對(duì) BS 最有效的因素是速度，其次是進(jìn)料，然后是重量分?jǐn)?shù)。注意到 LFPP 和 SFPP 之間因子的不同等級(jí)。

表 8 鉆孔 LFPP 的 S/N 比和 BS 響應(yīng)表。
全尺寸表
表 9 鉆孔 SFPP 信噪比和 BS 的響應(yīng)表。
全尺寸表
獲得了方差分析一般線性模型和單因素方差分析，以描述每個(gè)因素的響應(yīng)，其中假設(shè)分析的方差相等。ANOVA 一般線性模型和單向 ANOVA 的結(jié)果分別總結(jié)在表10和11中。將每個(gè)因子的 p 值與顯著性水平 (α = 0.05) 進(jìn)行比較表明，對(duì)于 LFPP 重量分?jǐn)?shù)的 p 值小于顯著性水平 α (p 值 = 0.003)，表10. 而進(jìn)給和速度的 p 值高于 α。然而，在 SFPP 的情況下，速度的 p 值低于顯著性水平 α（p 值 = 0.005）。而進(jìn)料和重量分?jǐn)?shù)的 p 值高于 α。在 LFPP 的情況下，重量分?jǐn)?shù)是影響 BS 的最重要因素。BS 隨著重量分?jǐn)?shù)的增加而增加，與純 PP 相比，對(duì)于 30 wt%，BS 的最大改善為 9%。如圖7所示，由于斜率梯度非常小，速度和進(jìn)給量的影響不大 。SFPP 得到了不同的結(jié)果，其中速度是影響 BS 的重要因素。BS 隨著速度從 1000 到 4000 rpm 增加而減小。另一方面，重量分?jǐn)?shù)和進(jìn)料對(duì)BS的影響很小，斜率很小，如圖 7所示. ANOVA 的結(jié)果與使用 Minitab 17 軟件獲得的結(jié)果非常吻合。在 SFPP 的情況下，重量分?jǐn)?shù)對(duì) BS 的影響不存在可能是由于加權(quán)平均纖維長(zhǎng)度的減少，這為加工參數(shù)清除了場(chǎng)，以顯示它們對(duì)以主軸速度表示的 GFR/PP 復(fù)合材料的 BS 的影響。

表 10 不同鉆孔條件下鉆孔 PP 和 GFR/PP 的 ANOVA 一般線性模型。
全尺寸表
表 11 不同鉆孔條件下鉆孔 PP 和 GFR/PP 的單因素方差分析。
全尺寸表
圖 7
圖 7
LFPP 和 SFPP 的 BS 和 S/N 值的平均效應(yīng)圖。

全尺寸圖片
與機(jī)加工孔相比，模內(nèi)孔的 BS
模內(nèi)與鉆孔的 BS
圖 8 a、b 分別顯示了 LFPP 和 SFPP 試樣的模制孔和機(jī)加工孔的 BS 之間的差異。從圖中可以清楚地看出，在所有重量分?jǐn)?shù)和纖維長(zhǎng)度上，模內(nèi)孔的 BS 都略好于機(jī)加工孔的 BS。鉆孔過(guò)程的附帶損害在降低帶鉆孔試樣的 BS 中起著重要作用。圖 8a中的斜率顯示了 LFPP 的模內(nèi)和機(jī)加工試樣的相似行為，其中它們具有相同的 BS 隨著纖維重量分?jǐn)?shù)的增加而增加的速率。帶有模制孔的試樣的 BS 平均增加量比鉆孔試樣高 1%。而圖 8的斜率b 與 SFPP 的機(jī)加工孔試樣相比，模內(nèi)孔試樣的 BS 增加率隨著纖維重量分?jǐn)?shù)的增加而略高。與鉆孔樣品相比，帶有模制孔的樣品的 BS 增加范圍從純 PP 的 0.8% 到 30 wt% GF 的 2.6%。

圖 8
圖 8
模內(nèi)孔與機(jī)加工孔的 BS；（一）LFPP，（乙）SFPP。

全尺寸圖片
Hufenbach 等人的軸承測(cè)試結(jié)果。圖30表明，與鉆孔配置相比，織物增強(qiáng)熱塑性塑料模制孔能夠承受更大的載荷。

試件承重試驗(yàn)失效分析
實(shí)驗(yàn)上，機(jī)械緊固接頭在四種基本機(jī)制下失效；凈張力、剪切、解理破壞和軸承破壞。由于最終失效20的災(zāi)難性性質(zhì)，凈張力、剪切和解理失效模式是不可取的。軸承失效，其特征是施加的載荷逐漸減小，被認(rèn)為是理想的失效模式38 , 67。纖維增強(qiáng)材料的失效破壞可能歸因于基體開(kāi)裂、纖維斷裂、纖維-基體界面剝離及其組合68。在本節(jié)中，通過(guò)觀察破壞面來(lái)評(píng)估螺栓連接復(fù)合材料的破壞模式。圖 9顯示了在軸承中測(cè)試的具有不同重量分?jǐn)?shù)和纖維長(zhǎng)度的模內(nèi)試樣的失效形態(tài)。從圖 9可以看出，由于軸承試驗(yàn)，目前工作中出現(xiàn)了兩種失效模式。第一種失效模式是純承載模式，在純 PP 試樣 (L00) 中表示，如圖 9a所示。第二種失效模式是 GFR/PP 復(fù)合試樣的混合失效模式（凈張力/承載模式），如圖 9 b-g 所示。注意到不同纖維長(zhǎng)度之間的類似失效模式，而承載能力隨著纖維重量分?jǐn)?shù)的增加而降低。因此，對(duì)于圖 9所示的 L3012 和 L3024 試樣f,g 軸承失效幾乎沒(méi)有發(fā)生，而整潔的 PP 獲得了令人印象深刻的承載能力，如圖 9a所示。

圖 9
圖 9
軸承內(nèi)模制孔試樣的失效形態(tài)；( a ) 純 PP, ( b ) 10 wt% GF (12 mm 初始長(zhǎng)度) + 90 wt% PP, ( c ) 10 wt% GF (24 mm 初始長(zhǎng)度) + 90 wt% PP, ( d ) 20 wt% GF (12 mm 初始長(zhǎng)度) + 80 wt% PP, ( e ) 20 wt% GF (24 mm 初始長(zhǎng)度) + 80 wt% PP, ( f ) 30 wt% GF (12 mm 初始長(zhǎng)度) + 70 wt% PP , 和 ( g ) 30 wt% GF (12 mm 初始長(zhǎng)度) + 70 wt% PP。

全尺寸圖片
L1012 和 L3012 試樣斷裂帶的 SEM 顯微照片分別如圖 10a  、 b 所示。L3012 試樣的基體脆性斷裂比 L1012 試樣更明顯，這與 L3012 試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的脆性成正比，如圖 6所示。此外，從圖 10可以看出，由于試樣斷裂，兩個(gè)試樣的基體中明顯有大量纖維被拉出。

圖 10
圖 10
試樣斷裂帶橫截面的 SEM 圖像；( a ) 10 wt% GF (12 mm 初始長(zhǎng)度) + 90 wt% PP 和 ( b ) 30 wt% GF (12 mm 初始長(zhǎng)度) + 70 wt% PP。

全尺寸圖片
圖 11包括一些加工孔試樣的失效形態(tài)之外的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。混合失效模式（凈張力/軸承模式）出現(xiàn)在所有具有機(jī)加工孔的樣品上，除了 30 wt% GF 樣品，其僅在凈張力模式下失效，如圖 11所示。模內(nèi)試樣和鉆孔試樣之間失效模式的變化可能歸因于與鉆孔過(guò)程相關(guān)的損傷。

圖 11
圖 11
鉆孔試樣的破壞形態(tài)和承載應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

全尺寸圖片
結(jié)論
本研究對(duì)通過(guò)注塑技術(shù)制造的 GFR/PP 復(fù)合材料相關(guān)的 BS 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，該技術(shù)在各種鉆孔條件下具有模內(nèi)或鉆孔。獲得的結(jié)果可以總結(jié)如下：

發(fā)現(xiàn)注入較長(zhǎng) FFSL 的樣品的 BS 比較短的樣品具有更低的 BS，這是由于在注塑過(guò)程后觀察到生產(chǎn)的樣品中重均纖維長(zhǎng)度的減少。觀察到的 BS 降低從 10 wt% 的 2.85% 到 30 wt% GFR/PP 的 5.95%。

對(duì)于具有模制孔的試樣，對(duì)于 LFPP 和 SFPP，BS 隨著纖維重量分?jǐn)?shù)的增加而增加。對(duì)于 LFPP，L3012 試樣在 L00 以上獲得了 9% 的改進(jìn)。而對(duì)于 SFPP，BS 從 L00 樣本到 L3024 樣本僅增加 3%。

對(duì)于鉆孔試樣，ANOVA 和田口分析的結(jié)果表明，加工條件和重量分?jǐn)?shù)對(duì) BS 的影響在 LFPP 和 SFPP 試樣之間是不同的；對(duì)于 LFPP，最重要的因素是重量分?jǐn)?shù)，而鉆孔條件（速度和進(jìn)給）被發(fā)現(xiàn)不太重要。然而，對(duì)于 SFPP，主軸速度被發(fā)現(xiàn)是最重要的因素，其次是進(jìn)給量，而重量分?jǐn)?shù)的影響最小。

重量分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致模內(nèi)和機(jī)加工孔樣品的 BS 增加。

對(duì)于所有使用的重量分?jǐn)?shù)和纖維長(zhǎng)度，模制孔的 BS 略好于機(jī)加工孔的 BS；對(duì)于 LFPP，帶有模制孔的試樣的 BS 平均增加量比鉆孔試樣高 1%。而對(duì)于 SFPP，與鉆孔試樣相比，帶有模制孔的試樣的 BS 增加范圍從純 PP 的 0.8% 到 30 wt% GFR/PP 的 2.6%。

斷裂試樣的形態(tài)分析表明；對(duì)于模內(nèi)孔試樣，普通 PP 試樣在純軸承失效模式下失效。而 GFR/PP 試樣在承載和凈張力混合模式下失效。對(duì)于機(jī)加工孔試樣，所有試樣均在承載和凈張力混合模式下失效，除了僅在凈張力失效模式下失效的 30 wt% GFR/PP 試樣。

zetvxthg

好好 學(xué)習(xí)了 確實(shí)不錯(cuò)

注塑機(jī)廠家

支持一下