【摘 要】
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材料科学的迅速发展及环保意识的日益增长对复合材料提出了新挑战,完全可回收的轻质复合材料成为目前各个领域研究的热点。聚丙烯自增强（Self-Reinforced Polypropylene,SRPP）复合材料是以聚丙烯（Polypropylene,PP）纤维或织物增强PP树脂而成,其优异的抗冲击性以及界面结合力不仅能够克服异质复合材料的界面问题,而且回收工艺简单,具有特定的经济及环境效益,得到了汽车
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材料科学的迅速发展及环保意识的日益增长对复合材料提出了新挑战,完全可回收的轻质复合材料成为目前各个领域研究的热点。聚丙烯自增强（Self-Reinforced Polypropylene,SRPP）复合材料是以聚丙烯（Polypropylene,PP）纤维或织物增强PP树脂而成,其优异的抗冲击性以及界面结合力不仅能够克服异质复合材料的界面问题,而且回收工艺简单,具有特定的经济及环境效益,得到了汽车、运动器材和安全用品等领域的广泛关注。而SRPP复合材料的基体与增强体均为热塑性材料,其力学性能对温度十分敏感,在设计和开发SRPP复合材料制品过程中,极难对其机械性能和力学响应进行预测,且SRPP复合材料在热冲压成型工艺中易出现局部拉破等缺陷,现有商用仿真软件的前处理数据库中没有适用于模拟SRPP复合材料的材料库。因此为了扩大SRPP复合材料商业化应用并为材料的仿真模拟提供本构关系,需要对该材料力学性能的温度效应、本构模型的建立进行更深入的研究。本文旨在量化温度对SRPP复合材料力学性能的影响规律,并建立一个简单有效且能够准确预测不同温度下SRPP复合材料力学行为的本构模型,为该材料在国内的应用推广和有效成型提供参考。具体研究内容及结论如下:（1）采用差示扫描量热法（DSC）分别对PP纤维、PP薄膜以及SRPP复合材料的热性能进行了测试分析。结果表明:SRPP复合材料的玻璃化转变发生在-11.5℃左右,DSC曲线存在两个熔融峰,其中150.2℃对应复合材料中的基体相,比PP薄膜高1.5℃,166.9℃对应复合材料的增强相,比PP纤维低4.1℃。在PP纤维和PP薄膜熔融复合过程中,PP树脂基体的结晶度有所提高,而PP纤维受到了一定程度的损伤。（2）探究了SRPP复合材料力学性能的温度效应,在-40～120℃温度范围内对SRPP复合材料的拉伸性能、弯曲性能以及层间剪切性能进行了测试分析,并建立了各力学性能与温度间的经验公式。结果表明:对于拉伸性能,拉伸强度随着温度的上升呈现先增后减的趋势,在-20℃时达到最大值118.5 MPa,低于该温度时纤维和基体容易发生界面脱粘,导致强度下降;断裂伸长率从-40℃的24.8%一直增大至120℃的88.4%;玻璃态时的弹性模量始终维持在4.9 GPa左右,温度提升至-10℃时发生骤降并逐渐减小。对于弯曲性能,弯曲强度和弯曲模量均随温度的升高而降低,在-40℃时,弯曲强度和弯曲模量达到最大值,分别为113.7 MPa和4.9 GPa,在120℃时分别降为7.0 MPa和0.2 GPa。层间剪切强度从20℃的7.5 MPa减小至120℃的2.3 MPa,但在-40～0℃范围内受温度影响不显著。（3）采用扫描电子显微镜对SRPP复合材料的破坏形貌进行了观察。结果表明:对于拉伸破坏,温度低于-10℃时,材料表现为脆断,低于-20℃时界面脱粘程度加剧导致材料强度下降,而从-10℃开始至120℃表现为韧性断裂。对于剪切破坏,温度低于-10℃时剪切破坏模式主要表现为界面脱粘,当温度高于20℃时剪切破坏模式以基体破坏为主。（4）基于20～120℃温度范围内的拉伸试验数据,建立了考虑温度影响的SRPP复合材料的双参数唯象本构模型,并对拉伸应力应变曲线及强度模量进行了预测。结果表明:预测曲线与实验曲线的吻合程度以及预测拉伸性能的精度均较高,即本文提出的唯象本构模型能够对20～120℃温度范围内SRPP复合材料的拉伸应力应变曲线以及强度模量进行准确预测。
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