玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的性能研究

玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的性能研究

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂材料具有強(qiáng)度高、比模大、耐勞、耐腐蝕性強(qiáng)、耐架省、航空等特點(diǎn)。近年來(lái)，它也在民用方面發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。它已被應(yīng)用于船舶、建筑和體育設(shè)備等領(lǐng)域，并增加了劑量。其中,環(huán)氧樹(shù)脂是先進(jìn)復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛的樹(shù)脂體系,它適用于多種成型工藝,可配制成不同配方,調(diào)節(jié)粘度范圍大,以便適應(yīng)不同的生產(chǎn)工藝。它的貯存壽命長(zhǎng),固化時(shí)不釋放揮發(fā)物,固化收縮率低,固化后的制品具有極佳的尺寸穩(wěn)定性、良好的耐熱、耐濕性能和高的絕緣性,因此,環(huán)氧樹(shù)脂“統(tǒng)治”著高性能復(fù)合材料的市場(chǎng)。值得指出的是,環(huán)氧樹(shù)脂耐有機(jī)溶劑、耐堿性能比常用的酚醛與不飽和聚酯樹(shù)脂好,但其耐水性、耐酸性差;固化后一般較脆,韌性較差。本文主要針對(duì)該復(fù)合材料的韌性較差問(wèn)題進(jìn)行研究,制備出玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料,并研究其在不同溫度下的力學(xué)性能,以便更系統(tǒng)地了解該材料的性能,擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。1材料和方法1.1纖維原料的選擇天津津東化工廠生產(chǎn)的環(huán)氧樹(shù)脂F(xiàn)-44,用量為55%;南京玻纖院生產(chǎn)的單絲直徑為15μm的S玻璃纖維和E玻璃纖維;稀釋劑為無(wú)水乙醇,用量為10%;通過(guò)比較選擇間苯二胺為固化劑,用量為15%;增韌劑為鄰苯二甲酸二丁脂,實(shí)驗(yàn)用量10%;另外,本實(shí)驗(yàn)采用細(xì)度為120～300目的石英粉作為填料,加入量為10%。1.2復(fù)合材料的制備首先,取一定數(shù)量加熱的環(huán)氧樹(shù)脂,然后,加入增韌劑和稀釋劑,在65℃下攪拌1h后,冷卻至室溫,再緩慢加入固化劑。加入固化劑時(shí),需邊加入邊攪拌。當(dāng)固化劑與環(huán)氧樹(shù)脂充分混合后,進(jìn)行干燥并降至室溫呈粉狀填料,與樹(shù)脂均勻混合,得到環(huán)氧樹(shù)脂膠。為使復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能在制品中充分發(fā)揮作用,必須選擇合適的工藝方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,采用手工纏繞成型法,通過(guò)浸膠、纏繞和固化等工序制備單向增強(qiáng)復(fù)合材料。材料成型工藝參數(shù)為:120℃/2h+160℃/4h。利用WD-100B型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣相關(guān)力學(xué)性能。2結(jié)果與分析2.1降低樹(shù)脂體的直徑用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)玻璃纖維含量不同的復(fù)合材料進(jìn)行彈性模量、縱向和橫向拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度檢測(cè),研究發(fā)現(xiàn)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂單向復(fù)合材料力學(xué)性能隨著纖維含量增加而增強(qiáng),當(dāng)纖維含量較少時(shí),復(fù)合材料的性能增加幅度不大,但當(dāng)纖維含量達(dá)到50%時(shí),復(fù)合材料獲得較好的綜合力學(xué)性能,其具體數(shù)值如表1所示。這是因?yàn)楫?dāng)纖維數(shù)目較少時(shí),其承擔(dān)的應(yīng)力也相對(duì)較少,并且由于纖維的加入,切斷了原來(lái)連續(xù)的基體,在樹(shù)脂中形成一定數(shù)目的缺陷,不利于彈性模量的增加。當(dāng)纖維增加到一定程度并均勻地分布在樹(shù)脂基體中,纖維較好地承擔(dān)起受力作用。由于纖維和基體界面結(jié)合,纖維的變形受到基體的限制,而纖維也阻止基體的變形,從而使復(fù)合材料獲得很好的強(qiáng)化。但當(dāng)纖維含量過(guò)多時(shí),部分纖維不能被樹(shù)脂充分浸潤(rùn),從而在材料中形成許多結(jié)合較弱的界面,當(dāng)材料受力時(shí),這些界面容易脫附拔出,應(yīng)力傳遞失效,性能下降。由表1可以看出,S玻璃纖維的綜合力學(xué)性能均高于E玻璃纖維,尤其是縱向力學(xué)性能明顯高于E玻璃纖維復(fù)合材料,是因?yàn)槔w維增強(qiáng)復(fù)合材料縱向力學(xué)性能直接取決于增強(qiáng)纖維,故采用高強(qiáng)度S玻璃纖維增強(qiáng)的單向?qū)雍习宓目v向拉伸、壓縮強(qiáng)度高于E玻璃增強(qiáng)的單向?qū)雍习?。而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的橫向(垂直纖維方向)力學(xué)性能直接取決于樹(shù)脂基體的性能,因此,復(fù)合材料在橫向上的強(qiáng)度比縱向低很多,拉伸強(qiáng)度為MPa級(jí)。2.2拉伸和壓縮性能由復(fù)合材料的常溫力學(xué)性能試驗(yàn)可知,當(dāng)玻璃纖維體積含量為50%時(shí),該材料的性能較好,故對(duì)含50%玻璃纖維的復(fù)合材料在4K、76K的力學(xué)性能作進(jìn)一步檢測(cè)并與室溫(298K)的力學(xué)性能進(jìn)行比較,所得結(jié)果如圖1、圖2所示。圖1和圖2為S、E兩種玻璃纖維復(fù)合材料縱向拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度隨溫度的變化曲線,由圖2和圖3可以看出,隨著溫度的降低,復(fù)合材料的縱向拉伸強(qiáng)度和縱向壓縮強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)。拉伸性能方面,當(dāng)溫度降到76K時(shí)材料的強(qiáng)度值最高,S玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最高值可達(dá)2.1GPa、E玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料的最大拉伸強(qiáng)度為1.4GPa。壓縮性能方面,S玻纖和E玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料均隨溫度降低而升高,雖然S玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度更高,但隨溫度的降低,E玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度值增加更顯著一些。分析其主要原因,是由于纖維、樹(shù)脂基體在復(fù)合過(guò)程中所形成界面的粘接強(qiáng)度直接影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。界面粘接作用形成的方式包括:共價(jià)鍵、比較弱的范德瓦耳斯鍵以及界面摩擦力,而纖維和基體之間的粘接性和摩擦力則依賴(lài)于材料表面浸潤(rùn)性和橫向擠壓力作用。隨著溫度的下降,纖維、樹(shù)脂收縮不同會(huì)影響界面摩擦力和粘接性連接作用的大小,從而影響界面的粘接強(qiáng)度。低溫下玻璃纖維的橫向收縮比樹(shù)脂基體小,界面摩擦力得到增強(qiáng),所以,低溫下玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料能獲得高的界面粘接強(qiáng)度,從而使得玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料的低溫力學(xué)性能得到明顯提高?？梢?jiàn),把對(duì)纖維進(jìn)行表面處理來(lái)提高復(fù)合材料界面強(qiáng)度,作為提高復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的重要手段。3拉伸性能測(cè)試1)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂單向復(fù)合材料力學(xué)性能隨著纖維含量增加而增強(qiáng),當(dāng)纖維體積含量為50%時(shí),復(fù)合材料具有較好的綜合力學(xué)性能。2)隨著溫度的降低,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)。當(dāng)溫度降到76K時(shí)材料的強(qiáng)度達(dá)到最高值,S玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最高值可達(dá)2.1G