帘线/橡胶复合材料多层结构的力学特性及失效形式研究
2021-07-19郭晓浓赵悦皓粟本龙王友善
吴 健，罗 行，郭晓浓，赵悦皓，粟本龙，李 哲，王友善
[哈尔滨工业大学（威海） 橡胶复合材料与结构研究所，山东 威海 264209]
帘线/橡胶复合材料因其优异的力学性能，在轮胎等橡胶制品中得到广泛应用，但当受到过大的突变载荷时常常发生断裂失效。由于实际橡胶制品中所采用的帘线搭接方式的差异和搭接段间距等工艺参数的不同，通常会导致不同的复合材料强度和失效形式。
近几十年来，国内外对橡胶复合材料力学性能已开展了较多的研究，也取得了一些成果。张福范[1]利用能量法研究了胶层复合材料接头的层间应力。张阿盈[2]基于Tsai等人的理论分析方法（TOM方法）又提出了复合材料胶层接头分析的改进方法，并用于接头剪应力的分析。J.Whitney[3]结合高阶板理论，提出了对于复合材料双搭接接头的应力分析方式。W.Leslie等[4]用扫描波长干涉法对复合材料搭接接头疲劳损伤的研究表明，搭接方式和搭接接头对材料强度有很大影响。李澄[5]研究了拼接与搭接铺层对复合材料力学性能的影响。陶永强等[6]揭示了搭接长度对Z销头加固的单搭接接头连接性能的影响。张丰发等[7]提出了一种在拉伸条件下帘线/橡胶复合材料新的失效准则。郭霞等[8]针对复合材料单搭接接头的拉伸性能进行了有限元建模，分析了不同搭接长度对搭接接头的应力和破坏模式的影响。
此外，陈想等[9]对帘线/橡胶复合材料的界面粘合性能进行了研究，主要研究了频率和温度的影响。李利等[10]对帘线-橡胶力学性能测试开展了研究。可见，目前对于帘线/橡胶复合材料试验研究主要集中在单一帘线与橡胶的粘合性能。然而，帘线/橡胶复合材料多层结构形式对其失效也有显著影响。在多层搭接时需考虑到搭接段间距的影响，这方面的相关研究较为欠缺。由于接头不同搭接形式及多层结构工艺参数对帘线/橡胶复合材料的力学性能有着至关重要的影响，因此，研究搭接段间距对复合材料多层结构的力学性能影响尤为重要。
为此，本工作针对典型帘线/橡胶复合材料结构，开展不同帘线层接头搭接形式和不同搭接段间距下橡胶复合材料结构的力学行为研究，以揭示其对帘线/橡胶复合材料的失效形式以及强度等力学性能的影响规律，为工程中橡胶复合材料制品的设计与制备提供依据。
1 实验
1.1 试样制备
帘线层接头搭接被广泛应用于帘线/橡胶复合材料，当帘线增强层的层数较多时，接头搭接段间距是影响搭接性能的重要因素之一。搭接段间距是指相邻两层帘线的搭接重叠部分之间的间距，如图1所示。基于帘线/橡胶复合材料3层搭接设计结构的基本搭接组合形式包括顺型顺式、顺型逆式和凹型凸型，如图2所示。
图1 帘线搭接段间距示意
图2 3种基本搭接组合形式示意
为研究不同帘线层与橡胶间形成结构的失效状态，制备3种搭接形式下搭接段间距分别为5，15和25 mm的试样若干个，搭接长度均为45 mm，试样尺寸为250 mm×12 mm×6 mm。将试样按不同搭接结构排布在自制的模具中，然后在平板硫化机上加热硫化成型，硫化条件为160 ℃/20 MPa×30 min。
1.2 测试方法
采用UH4204GD型高低温拉伸试验机在室温下进行拉伸性能测试，拉伸速率为500 mm·min-1，标距为100 mm，采用定制的气动夹具进行夹持，拉伸试验机和气动夹具分别如图3和4所示。每种相同参数的试验重复3次，记录试验数据并分析。
图3 拉伸试验机
图4 气动夹具
2 结果与讨论
2.1 力学特性
3种不同搭接方式的试样在不同搭接段间距下拉伸，所得应力-应变关系曲线如图5所示。
图5 不同搭接形式下帘线/橡胶复合材料的应力-应变曲线
从图5可以看出，帘线/橡胶复合材料的应力-应变曲线均具有较大非线性，3种搭接方式虽在数值上有所不同，但总体变化规律相似。
不同搭接形式下帘线/橡胶复合材料的拉伸强度和拉断伸长率测试结果如表1所示。
表1 不同搭接形式下帘线/橡胶复合材料的拉伸强度和拉断伸长率
从表1可以看出：随着搭接段间距的增大，凹型凸型的帘线/橡胶复合材料拉伸强度下降最明显，顺型顺式虽变化不大但仍可体现下降趋势，而顺型逆式受搭接段长度影响变化不明显；随着搭接段间距的增大，凹型凸型的帘线/橡胶复合材料拉断伸长率下降最明显，顺型顺式和顺型逆式变化不明显。
综合来看，搭接形式为凹型凸型的帘线/橡胶复合材料力学性能明显优于其余2种搭接形式的复合材料。
2.2 失效分析
通过对试验后的失效试样进行分析，发现复合材料失效形式主要有3种，如图6所示。
图6 帘线/橡胶复合材料的失效形式
不同搭接形式下帘线/橡胶复合材料的失效形式分析结果如表2所示。
表2 不同搭接形式下帘线/橡胶复合材料的失效形式
从表2可以看出：帘线/橡胶复合材料的搭接段间距为5 mm时，3种不同搭接形式的试样失效形式均为搭接处断裂；搭接段间距为15 mm时，除顺型逆式试样存在端头处应力集中断裂外，其余试样的失效形式均为搭接处断裂；搭接段间距为25 mm时，顺型顺式试样的失效形式为界面滑脱，顺型逆式试样的失效形式为端头或搭接处断裂，凹型凸型试样出现端头断裂或界面滑脱现象。
综上可见：帘线/橡胶复合材料的搭接段间距为5和15 mm时，试样失效形式主要为搭接处断裂，此处的帘线层和橡胶层所受应力最大；当搭接段间距为25 mm时，复合材料易发生界面滑脱和端头断裂失效。
3 结论
（1）帘线/橡胶复合材料在不同帘线层接头搭接形式下的力学行为具有较大非线性，搭接段间距为5 mm时的凹型凸型搭接试样的综合力学性能最优。
（2）帘线/橡胶复合材料的帘线层接头搭接段间距为5和15 mm时，试样失效形式主要为搭接处断裂，此处的帘线层和橡胶层所受应力最大；当搭接段间距为25 mm时，复合材料易发生界面滑脱和端头断裂失效。
