玻纖增強環氧樹脂基復合材料的性能研究

纖維增強樹脂材料具有強度高、比模大、耐勞、耐腐蝕性強、耐架省、航空等特點。近年來，它也在民用方面發揮著越來越大的作用。它已被應用于船舶、建筑和體育設備等領域，并增加了劑量。其中,環氧樹脂是先進復合材料中應用最廣泛的樹脂體系,它適用于多種成型工藝,可配制成不同配方,調節粘度范圍大,以便適應不同的生產工藝。它的貯存壽命長,固化時不釋放揮發物,固化收縮率低,固化后的制品具有極佳的尺寸穩定性、良好的耐熱、耐濕性能和高的絕緣性,因此,環氧樹脂“統治”著高性能復合材料的市場。值得指出的是,環氧樹脂耐有機溶劑、耐堿性能比常用的酚醛與不飽和聚酯樹脂好,但其耐水性、耐酸性差;固化后一般較脆,韌性較差。本文主要針對該復合材料的韌性較差問題進行研究,制備出玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料,并研究其在不同溫度下的力學性能,以便更系統地了解該材料的性能,擴大其應用領域。1材料和方法1.1纖維原料的選擇天津津東化工廠生產的環氧樹脂F-44,用量為55%;南京玻纖院生產的單絲直徑為15μm的S玻璃纖維和E玻璃纖維;稀釋劑為無水乙醇,用量為10%;通過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,實驗用量10%;另外,本實驗采用細度為120～300目的石英粉作為填料,加入量為10%。1.2復合材料的制備首先,取一定數量加熱的環氧樹脂,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,需邊加入邊攪拌。當固化劑與環氧樹脂充分混合后,進行干燥并降至室溫呈粉狀填料,與樹脂均勻混合,得到環氧樹脂膠。為使復合材料的結構與性能在制品中充分發揮作用,必須選擇合適的工藝方法。根據實驗條件,采用手工纏繞成型法,通過浸膠、纏繞和固化等工序制備單向增強復合材料。材料成型工藝參數為:120℃/2h+160℃/4h。利用WD-100B型微機控制電子萬能試驗機檢測試樣相關力學性能。2結果與分析2.1降低樹脂體的直徑用電子萬能試驗機對玻璃纖維含量不同的復合材料進行彈性模量、縱向和橫向拉伸強度和壓縮強度檢測,研究發現玻璃纖維增強環氧樹脂單向復合材料力學性能隨著纖維含量增加而增強,當纖維含量較少時,復合材料的性能增加幅度不大,但當纖維含量達到50%時,復合材料獲得較好的綜合力學性能,其具體數值如表1所示。這是因為當纖維數目較少時,其承擔的應力也相對較少,并且由于纖維的加入,切斷了原來連續的基體,在樹脂中形成一定數目的缺陷,不利于彈性模量的增加。當纖維增加到一定程度并均勻地分布在樹脂基體中,纖維較好地承擔起受力作用。由于纖維和基體界面結合,纖維的變形受到基體的限制,而纖維也阻止基體的變形,從而使復合材料獲得很好的強化。但當纖維含量過多時,部分纖維不能被樹脂充分浸潤,從而在材料中形成許多結合較弱的界面,當材料受力時,這些界面容易脫附拔出,應力傳遞失效,性能下降。由表1可以看出,S玻璃纖維的綜合力學性能均高于E玻璃纖維,尤其是縱向力學性能明顯高于E玻璃纖維復合材料,是因為纖維增強復合材料縱向力學性能直接取決于增強纖維,故采用高強度S玻璃纖維增強的單向層合板的縱向拉伸、壓縮強度高于E玻璃增強的單向層合板。而纖維增強復合材料的橫向(垂直纖維方向)力學性能直接取決于樹脂基體的性能,因此,復合材料在橫向上的強度比縱向低很多,拉伸強度為MPa級。2.2拉伸和壓縮性能由復合材料的常溫力學性能試驗可知,當玻璃纖維體積含量為50%時,該材料的性能較好,故對含50%玻璃纖維的復合材料在4K、76K的力學性能作進一步檢測并與室溫(298K)的力學性能進行比較,所得結果如圖1、圖2所示。圖1和圖2為S、E兩種玻璃纖維復合材料縱向拉伸強度和壓縮強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,復合材料的縱向拉伸強度和縱向壓縮強度均呈增加趨勢。拉伸性能方面,當溫度降到76K時材料的強度值最高,S玻纖/環氧復合材料的拉伸強度最高值可達2.1GPa、E玻纖/環氧復合材料的最大拉伸強度為1.4GPa。壓縮性能方面,S玻纖和E玻纖/環氧復合材料均隨溫度降低而升高,雖然S玻纖/環氧復合材料的壓縮強度更高,但隨溫度的降低,E玻纖/環氧復合材料的壓縮強度值增加更顯著一些。分析其主要原因,是由于纖維、樹脂基體在復合過程中所形成界面的粘接強度直接影響復合材料的力學性能。界面粘接作用形成的方式包括:共價鍵、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于材料表面浸潤性和橫向擠壓力作用。隨著溫度的下降,纖維、樹脂收縮不同會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度。低溫下玻璃纖維的橫向收縮比樹脂基體小,界面摩擦力得到增強,所以,低溫下玻璃纖維增強復合材料能獲得高的界面粘接強度,從而使得玻纖/環氧復合材料的低溫力學性能得到明顯提高。可見,把對纖維進行表面處理來提高復合材料界面強度,作為提高復合材料綜合力學性能的重要手段。3拉伸性能測試1)玻璃纖維增強環氧樹脂單向復合材料力學性能隨著纖維含量增加而增強,當纖維體積含量為50%時,復合材料具有較好的綜合力學性能。2)隨著溫度的降低,復合材料的拉伸強度和壓縮強度均呈增加趨勢。當溫度降到76K時材料的強度達到最高值,S玻纖/環氧復合材料的拉伸強度最高值可達2.1G