三維編織炭纖維-環(huán)氧復(fù)合材料的性能研究

1、收稿日期:2000207208; 修回日期:2000208214作者簡介:王玉果(19752 , 女, 河北石家莊人, 博士生, 主要從事先進復(fù)合材料的試驗研究工作。文章編號:100728827(2000 0420065203三維編織炭纖維 環(huán)氧復(fù)合材料的性能研究王玉果, 王玉林, 萬怡灶(天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 天津300072摘要:采用真空浸漬工藝, 成功地制備了三維編織炭纖維 環(huán)氧復(fù)合材料, 并用金相顯微鏡對微觀結(jié)構(gòu)進行了觀察, 發(fā)現(xiàn)基體與纖維間浸潤良好。力學(xué)試驗表明, 該材料具有良好的力學(xué)性能, 是一種極有發(fā)展?jié)摿Φ膹?fù)合材料。關(guān)鍵詞:真空浸漬; 三維編織; 力學(xué)性能; 復(fù)合材料中

2、圖分類號:TB 332文獻標識碼:A1前言三維編織復(fù)合材料是近十年來誕生的一種新型復(fù)合材料。它從根本上克服了傳統(tǒng)層合板層間剪切強度低、易分層的特點, 不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能, 而且還有良好的耐燒蝕性和抗損傷性1。炭纖維 環(huán)氧編織復(fù)合材料作為一種典型的先進復(fù)合材料, 具有強度高、重量輕、抗沖擊、抗損傷等良好的力學(xué)性能, 在航空航天、醫(yī)療、體育等現(xiàn)代高科技領(lǐng)域顯示了極大的潛能2。Chou 等研究證明三維編織結(jié)構(gòu)的炭 環(huán)氧復(fù)合材料具有良好的綜合力學(xué)性能3。H i 2erm er 等人4討論了炭環(huán)氧棒型復(fù)合材料的彎曲性能及失效行為, 指出三維編織增強體比長炭纖維具有明顯的增強作用, 可顯著提高復(fù)合材料

3、的剪切性能和彎曲性能, 并且還有降低復(fù)合材料脆性斷裂的作用。R TM 工藝, 即樹脂傳遞模塑工藝, 是目前國內(nèi)外最常用的編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成型方法。R TM 工藝過程簡單, 但是對樹脂基體和模具的要求較嚴, 因此其應(yīng)用受到一定限制。尤其在我國, R TM 工藝還處于初級階段5。本工作根據(jù)環(huán)氧樹脂的固化特性, 采用真空浸漬+固化成型的方法, 成功地摸索出三維編織炭纖維 環(huán)氧復(fù)合材料的制備工藝, 并對其力學(xué)性能進行了實驗研究, 取得了很好的研究結(jié)果。2實驗2. 1實驗材料基體:低粘度環(huán)氧樹脂(A , 采用酸酐類固化體系(B , 配比為A B =10038。增強材料:炭纖維三維編織物, 由天津紡織工學(xué)

4、院提供。三維織物的參數(shù)見表1。表1三維織物的參數(shù)T ab le 1T he param eter of 3D b raided fab ricF iber Yarn V o lum e fracti onSecti onL engthCarbon fiber64612×210002. 2實驗方法為了確定樹脂體系的固化工藝, 對未固化樹脂基體進行了D SC 圖譜測定, 采用N ET ZSCH 2Gera . .tebau Gm bH , Germ any 公司的D SC 204Phoen ix 型示差掃描量熱儀。升溫范圍24200, 升溫速率10 m in 。復(fù)合材料的制備采用真空澆注

5、方法。先對樹脂基體加熱進行抽真空脫泡處理, 然后注入到預(yù)先放置三維織物的模具內(nèi), 再次抽真空脫泡。待氣泡完全逸出后, 按照D SC 曲線所確定的固化工藝進行固化, 冷卻后脫模即得所需試樣。復(fù)合材料的彎曲性能試驗(參照A STM D 790284a 標準 和剪切試驗, 在DL 21000B 電子拉力實驗機上進行, 加載速率為1mm m in ; 沖擊試驗在U 2F 簡支梁沖擊試驗機上進行。試樣尺寸均為60mm ×12mm ×12mm 。3結(jié)果與分析3. 1樹脂體系固化工藝特性表2為樹脂體系固化特性的D SC 分析結(jié)果。從第15卷2000年第4期12月新型炭材料N E W CA

6、 RBON M A T ER I AL S V o l . 15N o. 4D ec . 2000表2中可以看出, 該樹脂體系的D SC 曲經(jīng)呈現(xiàn)單峰固化特征, 能達到較高的固化程度。其反應(yīng)開始溫度為80, 反應(yīng)峰溫度為157。該反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱, 必須控制反應(yīng)速度, 使反應(yīng)緩慢進行, 以盡可能固化完全。根據(jù)表2的數(shù)據(jù), 確定其固化工藝為:90 2h +140 2h 。表2樹脂體系固化特性的D SC 分析T ab le 2D SC analysis of resin cu ring characterInitial temperature of reacti on peakTop temper

7、ature of reacti on peakEnd temperature of reacti on peak801571953. 2復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)分析采用金相顯微鏡, 對復(fù)合成型的三維編織炭纖維 環(huán)氧復(fù)合材料進行了微觀分析。圖1、圖2分別為試樣橫截面和縱截面的微觀結(jié)構(gòu)金相照片, 從兩圖中可以看出材料內(nèi)部纖維束之間和纖維之間均勻分布著樹脂, 基本沒有缺膠現(xiàn)象。這表明對于三維編織復(fù)合材料的成型, 真空浸漬方法是簡單可行的 。圖1試樣橫截面(a 和縱截面(b 微觀結(jié)構(gòu)照片(400×F ig . 1M icro structures of speci m en , (a acro ss

8、 secti on and(b perpendicular secti on3. 3復(fù)合材料的力學(xué)性能3. 3. 1彎曲性能由于三維編織復(fù)合材料是一種新型材料, 其性能試驗還沒有統(tǒng)一的標準。人們研究較多的是它的拉壓性能, 而對其彎曲性能的研究較少。本文參照美國A STM 標準, 初步探討了該類材料的彎曲性能。圖2是材料典型的彎曲載荷撓度曲線, 圖3是材料彎曲破壞的實物照片 。圖2三維編織炭纖維 環(huán)氧復(fù)合材料彎曲曲線F ig . 2F lexural curve of 3D braided carbon fiber epoxy compo site圖3試樣彎曲破壞的實物照片F(xiàn) ig . 3P r

9、acticality pho tograph of flexural destructi on由圖2可見, 在連續(xù)加載的初始階段, 曲線是線性的, 即試樣彎曲產(chǎn)生線性變形; 隨著載荷的不斷增加, 試樣出現(xiàn)屈服現(xiàn)象(平臺 ; 之后試樣又呈近似線性變形, 達峰值后載荷緩慢下降直至破壞。從圖2還可以看到材料彎曲破壞時載荷并沒有急劇下降, 而是緩慢下降, 這說明炭纖維三維織物起到了有效的增強增韌作用, 因為復(fù)合材料破壞時沒有發(fā)生突然斷裂, 證明該材料的韌性較好。其彎曲強度、彎曲模量分別為357M Pa 和22GPa 。3. 3. 2剪切性能三維編織復(fù)合材料因其獨特的編織結(jié)構(gòu), 在剪切試驗中并沒有發(fā)生分

10、層破壞, 而是發(fā)生整體性破壞, 因此其剪切強度較高, 為277M Pa 。3. 3. 3沖擊性能良好的抗損傷性是三維編織復(fù)合材料的突出特點。在沖擊試驗中, 試樣沒有發(fā)生整體性斷裂, 只是略有彎曲, 其形狀與圖3大體相似。這同樣表明該材料的韌性極好, 在沖擊過程中可吸收大量的沖擊功,其沖擊強度為153KJ m 2。由以上分析可知, 三維編織炭纖維 環(huán)氧復(fù)合材料的力學(xué)性能良好。其彎曲強度與T i 2A l 2V 合金(380M Pa 相當(dāng), 已超過不銹鋼的彎曲強度(280M Pa 6; 其剪切強度和沖擊強度也較高, 是一種綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。4結(jié)論(1 采用真空浸漬+固化成型工藝制備三維編

11、織炭纖維 環(huán)氧復(fù)合材料簡單可行, 基體與增強體間的結(jié)合良好。(2 三維編織炭纖維 環(huán)氧復(fù)合材料, 具有很好的綜合力學(xué)性能, 是一種高級先進復(fù)合材料, 其應(yīng)用前景廣闊。參考文獻:1肖麗華, 楊桂. 三維編織多功能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的發(fā)展J. 復(fù)合材料學(xué)報, 1994, 11(2 :23227.2Chou F W , Ko F W . T extile structure compo site , compo sitem aterials series M . Am sterdam :E lsevier Science Publishers B V , 1989.3Shen Chou , Hong Ch

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15、ianj in U niversity , T ianj in 300072, Ch ina ABSTRACT :A 3D b raided carbon fiber epoxy com po site w as successfu lly p rep ared u sing the vacuum i m 2p regnati on techno logy . T he m icro structu res of th is m aterial w ere studied w ith an OL Y M PU S 2BH op tical m icro scop e . It w as found that the bonding betw een the m atrix and fibers w as p erfect . T he resu lts of m e 2chan ical tests show ed that th is com po site has good m echan ical behavi o r and grea