微米Fe3O4增强尼龙1010的力学性能

微米Fe3O4增强尼龙1010的力学性能 第7卷第1期 2008年2月 江南大学学报(自然科学版) JournalofJiangnanUniversity(NaturalScienceEdition—— ) Vn1.7No.1 Feb.2008 文章编号:1671—7147(2008)0l一0064—04 微米Fe3O4增强尼龙1010的力学性能 刘利国,艾德春,朱华. (1,江南大学机械工程学院,江苏无锡214122;2.山东工贸职业技术学院,山东邹城273500; 3.中国矿业大学材料科学与工程学院,江苏徐州221008) 摘要:以尼龙1010为基体,微米氧化铁(Fe0)为增强剂,进行了氧化物/尼龙复合材料的拉伸,压 缩,剪切和硬度实验.实验中使用电子显微镜(SEM)和激光式粒度分布仪观察, 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 试件断面形貌和 微米Fe0的颗粒尺寸分布情况;通过微观组织形貌探讨FeO/尼龙复合材料的增强机理.实验结 果表明:FeO/尼龙复合材料的拉伸强度平均比尼龙增加了15.6%;压缩强度,弹性模量最大分别比 尼龙1010提高了50.7%和100%,剪切强度最高比尼龙提高了28%,硬度比尼龙提高了18%. 关键词:复合材料;拉伸强度;压缩强度;弹性模量 中图分类号:TB301文献标识码:A TheMechanicsBehaviorsofNylon1010FilledwithMicron—Fe3o4 LIUli-guo,AIDe.chun,ZHUHua (1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China;2.Shand ongVocationalCollegeofIn— dustryandTrade,Zoueheng273500,China;3.SchoolofMaterialScienceandEngineering ,ChinaUniversityofMiningand Technology,Xuzhou221008,China) Abstract:Inthepaper,themechanicsbehaviorsofnylon1010compositefilledwithMicron —Fe3O4 treatedbyKH一550silanecouplingagentswerestudied.Thecrosssectionofcompositewasobservedand Fe3O4grain—sizewasclassifiedbySEMandGradingAnalysisofLaser.Themechanicsb ehaviorsand hardnessofcompositeswereinvestigatedthroughexperiments.Theexperimentalresultss howthatFe3O4 couldeffectivelyincreasethemechanicsbehaviorsofnylon1010composites.Whenthema sspercentage ofFe3O4was30%,thetensilestrengthofthecompositeswas23.7%higherthannylon1010. Whenit was20%.thecompressedstrengthwas50.7%higherthannylon1010.ItisalsofoundthatMi cron— Fe3O4couldreinforcenyloncomposite’Shardness. Keywords:composite;tensilestrength;compressedstrengthhardness 微米氧化物是常用无机填料,它能提高高分子 复合材料的弹性模量,热变形温度及尺寸稳定性, 并降低了成本..与高分子材料相比,氧化物充填 聚合物材料具有表面光洁度好,易加工成型,强度高, 耐高温,耐酸碱等优点,但氧化物也会造成复合材 料的冲击韧性,拉伸强度,断裂伸长率及熔体流动性 发生变化.许林峰等对方解石等6种矿物填充聚 合物的分散性以及分散性对复合物力学性能的影响 收稿日期:2006—10—21;修订日期:2007—02—26. 基金项目:国家自然科学基金项目(50475164). 作者简介:刘利国(1962一),男,山东淄博人,副教授,硕士生导师,工学博士.主要从事复合材料,摩擦学和表面 工程领域等研究.Email:liuliguo@jiangnan.edu.cn 第1期刘利国等:ga米Fe.O4增强尼龙1010的力学性能65 进行了研究.研究表明:矿物填料的分散性对填充 聚物的力学性能有重要的影响;张柏生等研究了 以不同类型聚合物为基体的高分子复合材料的力 学强度的变化规律,并从聚合物的结晶性对填料的 粘结性及其表面张力等方面进行了分析;彭刚等 用冲击拉伸实验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 对树脂基纤维增强复合材料 超高应变率进行了研究. 文中用微米Fe.O作填充剂,尼龙1010为基 体,进行Fe,O/尼龙1010复合材料力学性能研究, 并从微观上对微米Fe,O的增强机理进行分析. 皿旺l1僖皿旺l1 皑 厘 凶 粒径范围//xm 图2Fe3O颗粒粒径分布 Fig.2Diagramofdifferentparticlesizeof0dpowder 1实验方法2力学性能分布 首先,取氧化铁质量的1.5,2%的硅烷偶联剂 KH一550,对Fe,O进行表面处理.然后,将不同质量 分数的Fe,O与尼龙1010混合,通过微型注塑机注 入不同的模具并得到各种试件.再将各种试件放到 烘干箱内,在8O?温度下保温2h,以消除试件内应 力.氧化铁(FeO)颗粒的SEM照片见图1. 图1氧化铁(Fe3O)颗粒SEM照片 Fig.1sEMpictureofFe3O4powder 拉伸,压缩和剪切实验使用仪器为LDS.1)5电 子拉伸实验机.拉伸实验按GB16421—1996进行, 拉伸速度V=2mm/min,以实验中的最大破断拉力 值计算拉伸强度.压缩实验按GB/T1448.1983进 行,压缩速度V=2mm/min,以实验中最大的破坏 载荷计算压缩强度.剪切采用双截面剪切实验,剪 切速度V=2ram/rain,以实验中最大破坏载荷计算 剪切强度.拉伸,压缩和剪切实验分别取5次重复 实验的平均值作为测试结果. 使用XHS.1型橡塑硬度计测量尼龙试件的邵 氏H硬度.方法是随机测1O个点,由仪器读出硬 度值,并计算其平均值.使用HITACHIS-3000N扫 描电子显微镜(SEM)观察分析Fe,O颗粒和试件 断面形貌;使用BT.9300H型激光粒子分析仪分析 FeO颗粒的粒径分布,其中中位径(D.)为6.55 m.FeO4颗粒粒径分布见图2. 2.1拉伸,剪切和硬度实验的结果分析 图3是Fe,O/尼龙1010复合材料拉伸,剪切 强度和硬度与Fe,O质量分数的关系曲线. ? 盎 图3Fe3O,/尼龙复合材料的拉伸,剪切强度和硬度的 实验曲线 Fig.3Diagramoftensilestrength,shearingstrength andhardnessofFe3O4/nyloncomposites 由图3可见,FeO改变了尼龙1010复合材料 的拉伸强度,并存在最佳质量分数以获得最大拉伸 强度.当FeO的质量分数为35%时,其拉伸强度 最高为6O.25MPa;对于FeO4/尼龙1010复合材 料,拉伸强度最大比尼龙提高了23.7%,平均提高 了15.6%.随着FeO质量分数的增加,拉伸强度 有逐渐下降的趋势. 当Fe,O质量分数为1O%时,除了Fe,O/尼龙 1010复合材料的剪切强度达到最小值,剪切强度也 比尼龙下降了6%左右;当Fe,O质量分数为15% 时,FeO填料存在1个最佳质量分数,致使剪切强 度达到最高,此时剪切强度比尼龙提高了28%左右. 当Fe,O质量分数不断增加,FeO/尼龙1010复合 材料剪切强度继续下降,且当FeO质量分数量达到 25%以后,剪切强度有所回升. Fe04能明显地提高尼龙1010复合材料的硬 度.由图3可以看出,当FeO质量分数为10%时, FeO/尼龙1010复合材料的硬度达到最大值,硬度 BdW/黑 江南大学学报(自然科学版)第7卷 最高为H.59;Fe,O/尼龙1010复合材料硬度最大比 尼龙提高了17%,平均也比尼龙提高了11.75%. 2.2压缩强度和弹性模量的实验结果分析 图4是FeO填充尼龙1010压缩强度,弹性模 量与填料质量分数的关系曲线. 删 皤 好 删 是 FeO质量分数,% 图4FeO/尼龙复合材料压缩强度和弹性模量曲线 Fig.4Diagramofcompressionstrengthandelastic modulusofFe3O4/nyloncomposites 图4显示FeO填料能显着改变尼龙1010复合 材料的压缩强度,弹性模量.当Fe0的质量分数为 20%时,Fe0/尼龙复合材料的压缩强度最高.当 Fe0质量分数为35%时,Fe0/尼龙复合材料的 弹性模量最高.Fe0/尼龙1010复合材料的压缩强 度最高为96MPa;弹性模量最高为2.27GPa.分别比 尼龙1010的压缩强度,弹性模量最大提高了50.7% 和100%,平均提高了27%和56.7%. 3Fe3O增强尼龙的机理分析 尼龙1010受到拉力作用时,随着拉力不断增 加,尼龙连续产生塑性变形,当拉力达到一定程度 时,尼龙表面产生大量与拉力方向一致的微小裂 纹,随着拉力继续增大,裂纹也不断增大,同时尼龙 材料继续发生塑性变形,当裂纹由微小裂纹变成较 大裂纹时,尼龙产生塑性断裂,见图5. 图5尼龙1010拉伸变形表面SEM照片 Fig.5SEMpictureofsurfaceaboutnylonunder tensileandtransformation Fe0/尼龙复合材料的拉伸性能既取决于尼 龙基体本身,又取决于尼龙和Fe0之间的相互作 用,以及因此产生的材料结构上的缺陷(裂纹及应 力集中等).当FeO/尼龙复合材料受到拉力作用 时,首先在表面的缺陷处形成应力集中源,应力从 中心逐步向外扩展,当应力足够大时,表面产生裂 纹界面间与力的方向垂直的较大裂纹并迅速扩展, 使FeO/尼龙复合材料产生较小的塑性变形而断 裂.所以,复合材料力学性能与尼龙-Fe,O颗粒问 的相互作用有关,见图6. 图6质量分数为35%的FeO/尼龙复合材料拉伸 表面SEM照片 Fig.6SEMpictureoftensilesurfaceabout35% F03O4/nyloncomposites 如果填充物与聚合物基体作用强烈,或者聚合 物基体易于将填充物较紧密地包裹起来,对提高复 合材料的机械性能是有利的_6J.因此可以证明,由 于FeO颗粒较小,填料在基体中粘结性和分散性 较好,见图7. 图7质量分数为35%的FeO/尼龙1010复合材料 拉伸断面SEM照片 Fig.7SEMpictureoftensilesectionabout35% F03O4/nyloncomposites 图7显示尼龙基体容易将填料粒子较紧密地 包裹,使复合材料微观界面力学性能较为优越,所 以Fe,O尼龙1010复合材料的拉伸强度比尼龙高. 当复合材料受到压缩载荷时,颗粒发生位移,由于 受到周围大量尼龙分子的阻碍,使得复合材料不会 发生较大形变,所以Fe0/尼龙复合材料的压缩强 度和弹性模量得到提高.FeO/尼龙复合材料的剪 切断面较为光滑见图8. 第1期刘利国等:微米Fe,O增强尼龙1010的力学性能67 图8质量分数为35%的Fe.0/尼龙复合材料的剪 切断面SEM照片 Fig.8SEMpictureofshearingsectionabout35% Fe304/nyloncomposites 图8显示当承受剪切力时,Fe,0颗粒阻碍了剪 切力作用,Fe0颗粒通过传递载荷,使整个剪切面 变形均匀.由于Fe,0/尼龙复合材料仅产生较小的 参考文献(References): 塑性变形,所以Fe,O/尼龙复合材料的剪切面较为 光滑,没有出现明显的撕裂和脆性断裂的破坏特征. 4结语 由于Fe,O的颗粒较小,在尼龙基体中粘结性和 分散性较好,复合材料微观界面的力学性能较为优 越.FeO填充尼龙1010能提高复合材料的力学性 能,其力学特性与Fe,0的质量分数有关,且Fe,0 填充尼龙1010的拉伸强度比尼龙有明显的提高. 当Fe0的质量分数为35%时,其拉伸强度最 高为60.25Mpa,比尼龙提高了23.7%,拉伸强度平 均比尼龙提高了15.6%,复合材料压缩强度平均比 , 尼龙增加27%.当Fe,O的质量分数为l5%时 FeO//E龙复合材料的剪切强度最高,比尼龙提高了 28%. 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