0· 引言
先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料面臨一個最突出的問題是成本過高，這在一定程度上限制了樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用的進(jìn)一步擴(kuò)大，這一問題被公認(rèn)是該領(lǐng)域亟待解決的首要問題［1，2］。
要降低先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的成本，必須要有一種低成本的復(fù)合材料成型技術(shù)。VARI 工藝( 真空灌注工藝) 是近年來飛速發(fā)展的一種低成本高效率的復(fù)合材料成型技術(shù)［2，3］，該工藝具有許多優(yōu)點(diǎn): 增強(qiáng)材料可設(shè)計性強(qiáng)，結(jié)合纖維編織及預(yù)成型可制造復(fù)雜形狀的制件; 模具結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低; 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件易于實現(xiàn)局部增強(qiáng); 無需冷凍運(yùn)輸和儲存等。
VARI 工藝需要有適合其工藝特點(diǎn)的樹脂體系，筆者曾以縮水甘油醚型環(huán)氧和酸酐為基礎(chǔ)設(shè)計了一種中溫固化環(huán)氧體系［4］，經(jīng)測試表明: 該樹脂體系具有良好的工藝性能、力學(xué)性能和較低的吸濕率，適合用作液態(tài)成型工藝。
本文采用該環(huán)氧樹脂VARI 工藝制備了高性能碳纖維復(fù)合材料，并進(jìn)一步研究了該樹脂基復(fù)合材料的基本力學(xué)性能，濕熱環(huán)境性能及沖擊損傷性能，為該樹脂體系復(fù)合材料的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
1 ·實驗部分
1. 1 原料和儀器
環(huán)氧樹脂體系，自制，詳見文獻(xiàn)［4］。碳纖維織物U3160，威海拓展纖維有限公司; 材料試驗機(jī): INSTRON1195; 動態(tài)熱機(jī)械分析儀: TA 公司DMA Q800。
1. 2 復(fù)合材料力學(xué)性能試樣制備與測試
本文采用VARI 工藝( 真空灌注工藝) 制備了高性能碳纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)在60%左右。復(fù)合材料成型固化工藝為: 110 ℃ /1 h+ 140 ℃ /2 h。復(fù)合材料力學(xué)性能試樣的制備及測試標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。
1. 3 濕熱性能測試
復(fù)合材料固化成型之后，對復(fù)合材料的耐熱性能及耐濕熱性能進(jìn)行了測試，其中，DMA 試樣大小為60 mm × 10 mm × 2 mm，測試時，實驗設(shè)備的升溫速率為5 ℃ /min。
2· 結(jié)果與討論
2. 1 環(huán)氧樹脂基體性能
通過實驗研究表明，該環(huán)氧樹脂基體具有較優(yōu)異的綜合性能。一方面，該樹脂在40 ～ 50 ℃下即可獲得較低的粘度，且工藝期很長( ＞ 8 h) ，可以用來制作大尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，具有良好的工藝性能; 另一方面，該樹脂具有優(yōu)異的力學(xué)性能，不僅韌性好，而且強(qiáng)度也較高。表2給出了環(huán)氧樹脂基體的物理及力學(xué)性能。
2. 2 復(fù)合材料基本力學(xué)性能
該環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備采用VARI 工藝，纖維體積分?jǐn)?shù)為60%。表3 給出了環(huán)氧樹脂/U3160 復(fù)合材料的基本力學(xué)性能。
從表3 可以看出，該樹脂復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度可達(dá)1 745 MPa，拉伸模量為122 GPa，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，與熱壓罐成型復(fù)合材料力學(xué)性能相近; 且復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度也達(dá)到了熱壓罐成型復(fù)合材料的水平，只是在復(fù)合材料的層間性能上，該樹脂基復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度為79. 8 MPa，較熱壓罐成型復(fù)合材料低一些。這是由VARI 成型工藝特點(diǎn)所決定的，VARI 工藝所采用的樹脂體系要求具有很低的粘度，因此樹脂的韌性較預(yù)浸料樹脂的韌性差，因而造成復(fù)合材料的層間性能要弱一些［5］。從力學(xué)性能測試結(jié)果來看，除了層間剪切性能，采用VARI 工藝成型的復(fù)合材料可以達(dá)到與熱壓罐成型復(fù)合材料力學(xué)性能相接近的水平，而VARI 工藝成型復(fù)合材料的成本要低得多，對于價格高昂的高性能航空復(fù)合材料來講，VARI 成型工藝具有很大的成本優(yōu)勢。
2. 3 復(fù)合材料濕熱性能
實驗所采用環(huán)氧樹脂基體具有良好的耐濕熱環(huán)境性能，該樹脂的飽和吸濕率為0. 65%。實驗進(jìn)一步測試了環(huán)氧樹脂/U3160 復(fù)合材料的濕熱環(huán)境性能，將復(fù)合材料試樣浸泡在90 ℃水中，經(jīng)60 h后，復(fù)合材料的吸濕率為0. 40%，經(jīng)85 h，復(fù)合材料的吸濕基本達(dá)到飽和，吸濕率為0. 45%，表明該環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料具有很低的吸濕率。實驗還測試了復(fù)合材料吸濕前后的DMA 曲線，如圖1和圖2 所示。
從圖1 和圖2 可以看出，復(fù)合材料在吸濕前Tg( 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度) 為145. 1 ℃，儲能模量起始下降溫度T0( 熱變形溫度) 為129. 9 ℃，經(jīng)飽和吸濕后，Tg降至134. 7 ℃，而儲能模量起始下降溫度T0降至120. 4 ℃，從吸濕前后的數(shù)據(jù)對比中可以看出，吸濕后，復(fù)合材料的耐熱性下降10 ℃左右，而一般的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，經(jīng)飽和吸濕后耐熱性會下降20 ～ 50 ℃左右。對于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言，其應(yīng)用常常受到使用環(huán)境的制約，復(fù)合材料具有良好的耐濕熱環(huán)境性能，對于復(fù)合材料性能的穩(wěn)定性具有重要的意義。綜合復(fù)合材料的吸濕率和吸濕前后的耐熱性能數(shù)據(jù)，可以看出，該環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料具有較低的吸濕率，經(jīng)吸濕后耐熱性能降低幅度較小，表明該環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料具有良好的耐濕熱環(huán)境性能。
2. 4 復(fù)合材料抗沖擊性能
實驗采用VARI 工藝按照ASTM D7136 標(biāo)準(zhǔn)制備了3288 /U3160 復(fù)合材料CAI ( 沖擊后壓縮) 試樣，并分別采用4. 45 J /mm 和6. 67 J /mm 的沖擊能量進(jìn)行沖擊實驗，經(jīng)沖擊后，復(fù)合材料的內(nèi)部損傷如圖3 所示，沖擊后試樣的損傷情況及強(qiáng)度如表4所示。
從C 掃圖中可以看出，隨著沖擊能量從4. 45J /mm 增加到6. 67 J /mm，復(fù)合材料試樣的凹坑深度、損傷面積及背面裂紋長度都有明顯的提高，復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度則有一定程度的下降。對航空級復(fù)合材料，一般用沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度( CAI) 來度量復(fù)合材料體系的韌性，在NASA 標(biāo)準(zhǔn)文件中，通過CAI 對復(fù)合材料進(jìn)行了分類或劃代［6］: 脆性復(fù)合材料的CAI 一般低于138 MPa; 弱韌化改性樹脂基復(fù)合材料的CAI 值大約為138 ～ 192 MPa; 韌性樹脂基復(fù)合材料的CAI 值大約為193 ～ 255 MPa; 高韌性樹脂基復(fù)合材料的CAI 值一般應(yīng)高于256 MPa。
根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)，可以看出，該環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料體系屬于韌性級別，對于液態(tài)成型工藝來講，已經(jīng)具有非常好的韌性; 而通過采用復(fù)合材料層間增韌結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠進(jìn)一步提高該樹脂基復(fù)合材料的韌性，有可能使其達(dá)到高韌性級別。
3 ·結(jié)論
本文采用VARI 工藝制備了高性能環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料，通過對該復(fù)合材料的力學(xué)性能、濕熱性能及沖擊損傷性能的一系列研究，結(jié)論如下:
1) 采用VARI 工藝成型的復(fù)合材料可以達(dá)到與熱壓罐成型復(fù)合材料力學(xué)性能相接近的水平，而VARI 工藝成型復(fù)合材料的成本要低得多。
2) 該環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料具有較低的吸濕率，經(jīng)吸濕后耐熱性能降低幅度較小，具有良好的耐濕熱環(huán)境性能。
3) 該環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料體系屬于韌性級別，而通過采用復(fù)合材料層間增韌結(jié)構(gòu)設(shè)計，有可能使其達(dá)到高韌性級別。
綜上所述，筆者研制了一種中溫固化高性能環(huán)氧樹脂體系，可采用VARI 工藝完成復(fù)合材料的制造，該復(fù)合材料具有制造成本較低、力學(xué)性能良好、耐濕熱環(huán)境性能優(yōu)異的特點(diǎn)，且復(fù)合材料達(dá)到韌性級復(fù)合材料的水平，為VARI 工藝成型復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料面臨一個最突出的問題是成本過高，這在一定程度上限制了樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用的進(jìn)一步擴(kuò)大，這一問題被公認(rèn)是該領(lǐng)域亟待解決的首要問題［1，2］。
要降低先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的成本，必須要有一種低成本的復(fù)合材料成型技術(shù)。VARI 工藝( 真空灌注工藝) 是近年來飛速發(fā)展的一種低成本高效率的復(fù)合材料成型技術(shù)［2，3］，該工藝具有許多優(yōu)點(diǎn): 增強(qiáng)材料可設(shè)計性強(qiáng)，結(jié)合纖維編織及預(yù)成型可制造復(fù)雜形狀的制件; 模具結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低; 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件易于實現(xiàn)局部增強(qiáng); 無需冷凍運(yùn)輸和儲存等。
VARI 工藝需要有適合其工藝特點(diǎn)的樹脂體系，筆者曾以縮水甘油醚型環(huán)氧和酸酐為基礎(chǔ)設(shè)計了一種中溫固化環(huán)氧體系［4］，經(jīng)測試表明: 該樹脂體系具有良好的工藝性能、力學(xué)性能和較低的吸濕率，適合用作液態(tài)成型工藝。
本文采用該環(huán)氧樹脂VARI 工藝制備了高性能碳纖維復(fù)合材料，并進(jìn)一步研究了該樹脂基復(fù)合材料的基本力學(xué)性能，濕熱環(huán)境性能及沖擊損傷性能，為該樹脂體系復(fù)合材料的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
1 ·實驗部分
1. 1 原料和儀器
環(huán)氧樹脂體系，自制，詳見文獻(xiàn)［4］。碳纖維織物U3160，威海拓展纖維有限公司; 材料試驗機(jī): INSTRON1195; 動態(tài)熱機(jī)械分析儀: TA 公司DMA Q800。
1. 2 復(fù)合材料力學(xué)性能試樣制備與測試
本文采用VARI 工藝( 真空灌注工藝) 制備了高性能碳纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)在60%左右。復(fù)合材料成型固化工藝為: 110 ℃ /1 h+ 140 ℃ /2 h。復(fù)合材料力學(xué)性能試樣的制備及測試標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。
1. 3 濕熱性能測試
復(fù)合材料固化成型之后，對復(fù)合材料的耐熱性能及耐濕熱性能進(jìn)行了測試，其中，DMA 試樣大小為60 mm × 10 mm × 2 mm，測試時，實驗設(shè)備的升溫速率為5 ℃ /min。
2· 結(jié)果與討論
2. 1 環(huán)氧樹脂基體性能
通過實驗研究表明，該環(huán)氧樹脂基體具有較優(yōu)異的綜合性能。一方面，該樹脂在40 ～ 50 ℃下即可獲得較低的粘度，且工藝期很長( ＞ 8 h) ，可以用來制作大尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，具有良好的工藝性能; 另一方面，該樹脂具有優(yōu)異的力學(xué)性能，不僅韌性好，而且強(qiáng)度也較高。表2給出了環(huán)氧樹脂基體的物理及力學(xué)性能。
2. 2 復(fù)合材料基本力學(xué)性能
該環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備采用VARI 工藝，纖維體積分?jǐn)?shù)為60%。表3 給出了環(huán)氧樹脂/U3160 復(fù)合材料的基本力學(xué)性能。
從表3 可以看出，該樹脂復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度可達(dá)1 745 MPa，拉伸模量為122 GPa，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，與熱壓罐成型復(fù)合材料力學(xué)性能相近; 且復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度也達(dá)到了熱壓罐成型復(fù)合材料的水平，只是在復(fù)合材料的層間性能上，該樹脂基復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度為79. 8 MPa，較熱壓罐成型復(fù)合材料低一些。這是由VARI 成型工藝特點(diǎn)所決定的，VARI 工藝所采用的樹脂體系要求具有很低的粘度，因此樹脂的韌性較預(yù)浸料樹脂的韌性差，因而造成復(fù)合材料的層間性能要弱一些［5］。從力學(xué)性能測試結(jié)果來看，除了層間剪切性能，采用VARI 工藝成型的復(fù)合材料可以達(dá)到與熱壓罐成型復(fù)合材料力學(xué)性能相接近的水平，而VARI 工藝成型復(fù)合材料的成本要低得多，對于價格高昂的高性能航空復(fù)合材料來講，VARI 成型工藝具有很大的成本優(yōu)勢。
2. 3 復(fù)合材料濕熱性能
實驗所采用環(huán)氧樹脂基體具有良好的耐濕熱環(huán)境性能，該樹脂的飽和吸濕率為0. 65%。實驗進(jìn)一步測試了環(huán)氧樹脂/U3160 復(fù)合材料的濕熱環(huán)境性能，將復(fù)合材料試樣浸泡在90 ℃水中，經(jīng)60 h后，復(fù)合材料的吸濕率為0. 40%，經(jīng)85 h，復(fù)合材料的吸濕基本達(dá)到飽和，吸濕率為0. 45%，表明該環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料具有很低的吸濕率。實驗還測試了復(fù)合材料吸濕前后的DMA 曲線，如圖1和圖2 所示。
從圖1 和圖2 可以看出，復(fù)合材料在吸濕前Tg( 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度) 為145. 1 ℃，儲能模量起始下降溫度T0( 熱變形溫度) 為129. 9 ℃，經(jīng)飽和吸濕后，Tg降至134. 7 ℃，而儲能模量起始下降溫度T0降至120. 4 ℃，從吸濕前后的數(shù)據(jù)對比中可以看出，吸濕后，復(fù)合材料的耐熱性下降10 ℃左右，而一般的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，經(jīng)飽和吸濕后耐熱性會下降20 ～ 50 ℃左右。對于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料而言，其應(yīng)用常常受到使用環(huán)境的制約，復(fù)合材料具有良好的耐濕熱環(huán)境性能，對于復(fù)合材料性能的穩(wěn)定性具有重要的意義。綜合復(fù)合材料的吸濕率和吸濕前后的耐熱性能數(shù)據(jù)，可以看出，該環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料具有較低的吸濕率，經(jīng)吸濕后耐熱性能降低幅度較小，表明該環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料具有良好的耐濕熱環(huán)境性能。
2. 4 復(fù)合材料抗沖擊性能
實驗采用VARI 工藝按照ASTM D7136 標(biāo)準(zhǔn)制備了3288 /U3160 復(fù)合材料CAI ( 沖擊后壓縮) 試樣，并分別采用4. 45 J /mm 和6. 67 J /mm 的沖擊能量進(jìn)行沖擊實驗，經(jīng)沖擊后，復(fù)合材料的內(nèi)部損傷如圖3 所示，沖擊后試樣的損傷情況及強(qiáng)度如表4所示。
從C 掃圖中可以看出，隨著沖擊能量從4. 45J /mm 增加到6. 67 J /mm，復(fù)合材料試樣的凹坑深度、損傷面積及背面裂紋長度都有明顯的提高，復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度則有一定程度的下降。對航空級復(fù)合材料，一般用沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度( CAI) 來度量復(fù)合材料體系的韌性，在NASA 標(biāo)準(zhǔn)文件中，通過CAI 對復(fù)合材料進(jìn)行了分類或劃代［6］: 脆性復(fù)合材料的CAI 一般低于138 MPa; 弱韌化改性樹脂基復(fù)合材料的CAI 值大約為138 ～ 192 MPa; 韌性樹脂基復(fù)合材料的CAI 值大約為193 ～ 255 MPa; 高韌性樹脂基復(fù)合材料的CAI 值一般應(yīng)高于256 MPa。
根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)，可以看出，該環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料體系屬于韌性級別，對于液態(tài)成型工藝來講，已經(jīng)具有非常好的韌性; 而通過采用復(fù)合材料層間增韌結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠進(jìn)一步提高該樹脂基復(fù)合材料的韌性，有可能使其達(dá)到高韌性級別。
3 ·結(jié)論
本文采用VARI 工藝制備了高性能環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料，通過對該復(fù)合材料的力學(xué)性能、濕熱性能及沖擊損傷性能的一系列研究，結(jié)論如下:
1) 采用VARI 工藝成型的復(fù)合材料可以達(dá)到與熱壓罐成型復(fù)合材料力學(xué)性能相接近的水平，而VARI 工藝成型復(fù)合材料的成本要低得多。
2) 該環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料具有較低的吸濕率，經(jīng)吸濕后耐熱性能降低幅度較小，具有良好的耐濕熱環(huán)境性能。
3) 該環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料體系屬于韌性級別，而通過采用復(fù)合材料層間增韌結(jié)構(gòu)設(shè)計，有可能使其達(dá)到高韌性級別。
綜上所述，筆者研制了一種中溫固化高性能環(huán)氧樹脂體系，可采用VARI 工藝完成復(fù)合材料的制造，該復(fù)合材料具有制造成本較低、力學(xué)性能良好、耐濕熱環(huán)境性能優(yōu)異的特點(diǎn)，且復(fù)合材料達(dá)到韌性級復(fù)合材料的水平，為VARI 工藝成型復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
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