當下，消費者對電子產品的追求已超越單純的功能性，轉向更極致的審美體驗與更可靠的使用品質。超薄筆記本、平板電腦、智能手機等設備不僅需要輕薄便攜，更要堅固耐用。

圖1 消費電子產品

聚碳酸酯（PC）及其復合材料因其優異的綜合性能，已成為高端電子產品外殼的首選材料。然而，該復合材料在服役時極易受到較強的沖擊載荷，因此，掌握纖維增強 PC 復合材料在寬應變率范圍內的力學行為特征和失效機理顯得尤為重要。

本文使用注塑成型工藝制備玻璃纖維增強 PC 復合材料，在 0.001～ 1000 s^-1應變率范圍內開展纖維方向不同的玻璃纖維增強PC復合材料的拉伸力學行為實驗研究，并結合掃描電鏡對材料的失效機理進行系統分析。

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樣品制備

實驗采用與商業化電子產品外殼相同的制備工藝——注塑成型，確保材料微觀結構與實際產品一致。材料體系為短玻璃纖維增強PC復合材料，玻璃纖維質量分數為20%，纖維長度控制在0.1-0.2mm。

制備的平板試樣厚度控制在2.0mm，隨后按0°（流動方向）、45°和90°（垂直流動方向）三個方向切割成標準測試試樣，模擬外殼注塑成型后不同位置的纖維取向狀態。

圖2 拉伸試件的加工及試件尺寸（單位：mm）

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評價方法設計

不同應變率下的拉伸實驗均在室溫下進行。

準靜態拉伸實驗在電子萬能材料實驗機上（圖3）開展，試件標距段長度為 7 mm，因此，設置拉伸速率為 0.007 mm/s。

圖3 25t電子萬能試驗機

中應變率拉伸實驗設備為高速拉伸實驗機（圖4），設置拉伸速率為 7 mm/s。

圖4 高速拉伸實驗機

動態拉伸實驗在分離式霍普金森桿裝置（見圖 5）上開展。動態拉伸實驗中，采用高強度粘膠將試件粘貼于入射桿和透射桿之間，氣室中的壓縮氣體推動炮管內圓環管，圓環管撞擊入射桿端部的法蘭盤，在入射桿內部產生拉伸應力波。當應力波傳遞到試件時，部分應力波通過試件標距段后向透射桿傳遞，另一部分應力波則以反射波形式沿入射桿傳回。通過粘貼于入射桿和透射桿上的電阻應變片記錄入射波、反射波和透射波的應變信號。

圖5 霍普金森桿裝置

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結果分析

3.1 應變率敏感性

為方便表示，將玻璃纖維方向為 0°、45°和 90°的試件分別編號為 T-0、T-45 和 T-90。 T-0、T-45 和T-90 試件在 0.001～1000s^-1范圍內的工程應力-工程應變曲線如圖6所示。由圖 6可知，玻璃纖維方向不同的試件均具有較強的應變率敏感性，表現為隨著應變率的升高，拉伸強度和破壞應變均增大。

圖6 玻璃纖維方向不同的玻璃纖維增強 PC 復合材料在不同應變率下的工程應力-工程應變曲線

3種試件在不同應變率加載下的拉伸強度和破壞應變見圖7。統計圖7中3種試件的拉伸強度和破壞應變數據可知，當加載模式由準靜態逐漸轉變為高應變率加載時，試件斷裂失效模式由脆性斷裂逐漸向韌性斷裂轉變。

圖7 玻璃纖維方向不同的玻璃纖維增強 PC 復合材料在不同應變率下的工程應力-工程應變曲線

在同一應變率下，玻璃纖維方向為 0°的試件的拉伸強度高于另外兩種試件，而破壞應變低于其他兩種試件。其中, 同一應變率下，玻璃纖維方向為 45°和 90°的試件的拉伸強度和破壞應變均較為接近，說明玻璃纖維方位角從 0°增至一定角度后再繼續增大對試件的拉伸強度和破壞應變的影響不明顯。

3.2 微觀損傷機理分析

圖8分別對比了3種玻璃纖維增強PC復合材料在 0.001～1000 s^-1加載區間內拉伸斷裂后的斷口微觀形貌。從圖8中可觀察到，短玻璃纖維增強 PC 復合材料中玻璃纖維的角度不完全相同，主要是因為短玻璃纖維質量極輕，注塑方法只能控制大部分玻璃纖維為同一方向，后續研究可通過調節短玻璃纖維注塑速率等改善這一問題。

圖8 應變率分別為 0.001、1 和 1000s^-1時玻璃纖維增強 PC 復合材料拉伸斷口的微觀形貌

圖8(a)～圖8(c) 顯示，在 0.001s^-1加載速率下，3 種試件拉伸斷口處 PC 基體表面均較為平整，試件整體表現為脆性斷裂，主要存在纖維拔出、纖維斷裂、基體脆性斷裂、纖維與基體脫粘 4 種失效模式。

在圖8(d)～圖8(f) 中，3 種試件的拉伸斷口在1s^-1加載速率下與 0.001s^-1加載速率下相似，損傷模式均存在纖維拔出、纖維斷裂、基體脆性斷裂、纖維與基體脫粘 4 種失效模式。 

圖8(g)～圖8(i) 顯示，在 1000s^-1加載速率下，3 種試件的斷口形貌與準靜態加載下有明顯不同，拉伸斷裂失效模式更接近于塑性斷裂，表現為斷口面參差不齊，試件主要表現出纖維拔出、纖維斷裂、基體塑性變形、基體塑性斷裂、纖維與基體脫粘 5 種失效模式。

與準靜態加載下纖維方向為 90°的試件的斷口相比發現，圖8(i) 中試件基體產生明顯的塑性變形，基體起主要承載作用。相對于準靜態拉伸，動態拉伸過程可以認為是一個絕熱過程，試件在短時間內發生急劇變形，產生的熱不能及時地傳導至周圍環境中，因此，試件變形區域的溫度升高。

綜上所述，在1000s^-1 的高應變率加載下，玻璃纖維增強 PC 復合材料的抗拉強度和破壞應變較準靜態加載時出現大幅增大的主要原因是：高應變加載下試件發生絕熱溫升，溫度的上升導致 PC 基體軟化，塑性變形程度加深，纖維在拔出過程中與 PC 基體間的黏附力增強。

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結論

(1) 玻璃纖維增強 PC 復合材料具有顯著的應變率敏感性，隨著應變率的增加，材料的拉伸強度和破壞應變均增加。

(2) 0°方向（即沿加載方向）的玻璃纖維能夠有效提升玻璃纖維增強 PC 材料的抗拉強度，45°和90°的玻璃纖維對材料拉伸強度和破壞應變增強效果不明顯，PC 基體在拉伸過程中起主要承載作用。

(3) 玻璃纖維增強 PC 復合材料在準靜態和中應變率加載下主要表現出纖維拔出、纖維斷裂、基體脆性斷裂以及纖維與基體脫粘 4 種失效模式；在高應變率加載下主要表現出纖維拔出、纖維斷裂、基體塑性變形、基體塑性斷裂、纖維與基體脫粘 5 種失效模式。

(4) 在高應變率加載下，因絕熱溫升現象導致 PC 基體軟化，黏附力和塑性變形增強，在纖維拔出、斷裂以及脫粘過程中，纖維/基體界面強度增加。此外，PC 基體的塑性變形是造成高應變率下玻璃纖維增強 PC 復合材料的抗拉強度和破壞應變大幅提升的主要原因。

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