超薄电子产品外壳用复合材料动态拉伸力学行为特征及其失效机理研究
当下，消费者对电子产品的追求已超越单纯的功能性，转向更极致的审美体验与更可靠的使用品质。超薄笔记本、平板电脑、智能手机等设备不仅需要轻薄便携，更要坚固耐用。
图1 消费电子产品
聚碳酸酯（PC）及其复合材料因其优异的综合性能，已成为高端电子产品外壳的首选材料。然而，该复合材料在服役时极易受到较强的冲击载荷，因此，掌握纤维增强 PC 复合材料在宽应变率范围内的力学行为特征和失效机理显得尤为重要。
本文使用注塑成型工艺制备玻璃纤维增强 PC 复合材料，在 0.001～ 1000 s-1应变率范围内开展纤维方向不同的玻璃纤维增强PC复合材料的拉伸力学行为实验研究，并结合扫描电镜对材料的失效机理进行系统分析。
样品制备
实验采用与商业化电子产品外壳相同的制备工艺——注塑成型，确保材料微观结构与实际产品一致。材料体系为短玻璃纤维增强PC复合材料，玻璃纤维质量分数为20%，纤维长度控制在0.1-0.2mm。
制备的平板试样厚度控制在2.0mm，随后按0°（流动方向）、45°和90°（垂直流动方向）三个方向切割成标准测试试样，模拟外壳注塑成型后不同位置的纤维取向状态。
图2 拉伸试件的加工及试件尺寸（单位：mm）
评价方法设计
不同应变率下的拉伸实验均在室温下进行。
准静态拉伸实验在电子万能材料实验机上（图3）开展，试件标距段长度为 7 mm，因此，设置拉伸速率为 0.007 mm/s。
图3 25t电子万能试验机
中应变率拉伸实验设备为高速拉伸实验机（图4），设置拉伸速率为 7 mm/s。
图4 高速拉伸实验机
动态拉伸实验在分离式霍普金森杆装置（见图 5）上开展。动态拉伸实验中，采用高强度粘胶将试件粘贴于入射杆和透射杆之间，气室中的压缩气体推动炮管内圆环管，圆环管撞击入射杆端部的法兰盘，在入射杆内部产生拉伸应力波。当应力波传递到试件时，部分应力波通过试件标距段后向透射杆传递，另一部分应力波则以反射波形式沿入射杆传回。通过粘贴于入射杆和透射杆上的电阻应变片记录入射波、反射波和透射波的应变信号。
图5 霍普金森杆装置
结果分析
3.1 应变率敏感性
图6 玻璃纤维方向不同的玻璃纤维增强 PC 复合材料在不同应变率下的工程应力-工程应变曲线
图7 玻璃纤维方向不同的玻璃纤维增强 PC 复合材料在不同应变率下的工程应力-工程应变曲线
3.2 微观损伤机理分析
图8 应变率分别为 0.001、1 和 1000s-1时玻璃纤维增强 PC 复合材料拉伸断口的微观形貌
图8(a)～图8(c) 显示，在 0.001s-1加载速率下，3 种试件拉伸断口处 PC 基体表面均较为平整，试件整体表现为脆性断裂，主要存在纤维拔出、纤维断裂、基体脆性断裂、纤维与基体脱粘 4 种失效模式。
结论
(1) 玻璃纤维增强 PC 复合材料具有显著的应变率敏感性，随着应变率的增加，材料的拉伸强度和破坏应变均增加。
(2) 0°方向（即沿加载方向）的玻璃纤维能够有效提升玻璃纤维增强 PC 材料的抗拉强度，45°和90°的玻璃纤维对材料拉伸强度和破坏应变增强效果不明显，PC 基体在拉伸过程中起主要承载作用。
(3) 玻璃纤维增强 PC 复合材料在准静态和中应变率加载下主要表现出纤维拔出、纤维断裂、基体脆性断裂以及纤维与基体脱粘 4 种失效模式；在高应变率加载下主要表现出纤维拔出、纤维断裂、基体塑性变形、基体塑性断裂、纤维与基体脱粘 5 种失效模式。
