研究了環(huán)氧樹(shù)脂(EP)/玻璃纖維(GF)復(fù)合材料的力學(xué)性能。結(jié)果表明,EP/GF復(fù)合材料的常規(guī)性能和 耐熱性較好,夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強(qiáng)度高,樹(shù)脂具有韌性,掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料界面粘接情況良好。該預(yù)浸 料已用于直升機(jī)次承力結(jié)構(gòu)。

環(huán)氧樹(shù)脂(EP)是優(yōu)良的熱固性樹(shù)脂。它與目 前大量應(yīng)用的不飽和聚酯(UP)樹(shù)脂相比,具有更優(yōu) 良的力學(xué)性能、電絕緣性、耐化學(xué)藥品性、耐熱性和 粘合性能。眾所周知,在國(guó)內(nèi),EP除用作粉末涂料、 地坪、封裝料、粘合劑等以外,在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 領(lǐng)域中更是大顯身手。EP/玻璃纖維(GF)復(fù)合材 料是目前研究比較成熟、應(yīng)用最廣的一種復(fù)合材料。 EP/GF復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量大、耐腐 蝕性好、電性能優(yōu)異、原料來(lái)源廣泛、工藝性好、加工 成型簡(jiǎn)便、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn),并具有材料可設(shè)計(jì)性 及特殊的功能性如屏蔽電磁波、消音等特點(diǎn),現(xiàn)已成 為國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和科技發(fā)展中無(wú)法代替的重 要材料,如防彈頭盔、防彈服、直升飛機(jī)機(jī)翼、預(yù)警機(jī) 雷達(dá)罩、各種高壓壓力容器、民用飛機(jī)直板、體育用 品、各類耐高溫制品及近期報(bào)道的性能優(yōu)異的輪胎 簾子線等。

本研究采用牌號(hào)為3233的中溫固化EP,其具 有固化溫度低、成型周期短、貯存期長(zhǎng)等特點(diǎn),固化 溫度為100~150℃,固化時(shí)間為1.0~1.5h,預(yù)浸 料貯存期為常溫下1個(gè)月,-18℃下1年[2]。該樹(shù) 脂是一種粘度較高的潛伏性固化樹(shù)脂,其固化反應(yīng) 比較緩慢,適用于不同升溫速率和不同加壓點(diǎn)的成 型工藝;具有自熄性,使用溫度為80℃,以其自粘特 性可直接用于蜂窩或泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu),鋁-鋁剪 切強(qiáng)度大于30MPa(按GB7124-1986測(cè)試)。其 樹(shù)脂預(yù)浸料可直接與蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合制造夾層結(jié)構(gòu), 不使用膠膜,能形成膠瘤,簡(jiǎn)化工藝過(guò)程、使復(fù)合材 料的結(jié)構(gòu)輕量化,適合于制造大面積蜂窩夾心結(jié)構(gòu) 次承力件和艙內(nèi)結(jié)構(gòu)件。該樹(shù)脂浸漬GF、碳纖維 (CF)、芳綸纖維及其織物制備的預(yù)浸料,外觀均勻、 粘性適中、工藝性好。樹(shù)脂及其復(fù)合材料的性能類 似于國(guó)外在直升機(jī)上廣泛使用的Ciba公司的145.4 和Hexcel公司的F155中溫固化樹(shù)脂[3]。該樹(shù)脂還具有良好的沖擊性能及耐濕熱老化性能,固化工藝 參數(shù)適應(yīng)性強(qiáng),易于實(shí)現(xiàn)與其它樹(shù)脂的配合使用。 另外,其合適的粘性可滿足對(duì)復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件 鋪貼工藝的要求。

本研究采用自己研制、并已應(yīng)用于直升機(jī)結(jié)構(gòu) 件的中溫固化EP浸漬牌號(hào)為120的GF布,制備了 復(fù)合材料層壓板,討論了其各項(xiàng)性能。其預(yù)浸料蜂 窩夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離強(qiáng)度高,可直接與蜂窩或泡沫 結(jié)構(gòu)膠接,一次固化成型,不需要膠膜,可用熱壓罐、 真空袋和模壓法成型制件,已應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)件,如 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、艙內(nèi)的座椅等,能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化, 并且性能良好,不易分層。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　主要原料

EP:3233,符合Q/6S1517-2000,自制; GF布:120,其物理性能見(jiàn)表1,法國(guó)Hexcel公 司。

1.2　儀器、設(shè)備

熱熔預(yù)浸機(jī):自制;

旋轉(zhuǎn)粘度儀:BrookfieldDV-Ⅰ型,美國(guó) BrookfieldEngineeringLABS公司;

電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī):WDS-100型,濟(jì)南試驗(yàn)機(jī) 制造廠;

動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀:PL-IIIDMTA型,美國(guó)流 變科學(xué)公司;

掃描電子顯微鏡(SEM):AMRAY-1000B型, 中科院科學(xué)儀器研制中心。

1.3　試樣制備

(1)預(yù)浸料的制備

3233EP體系既適合濕法又適用于熱熔法預(yù)浸 工藝。本研究采用熱熔二步法(第一步采用膠膜機(jī) 制備熱熔膠膜;第二步采用預(yù)浸機(jī)使膠膜浸漬纖維 或織物)預(yù)浸工藝制備預(yù)浸料。預(yù)浸料的物理性能 滿足表2要求。

(2)層壓板的制備

根據(jù)模具尺寸裁剪預(yù)浸料并鋪貼。制備常規(guī)力 學(xué)性能測(cè)試用層合板時(shí),將一定層數(shù)鋪貼好的預(yù)浸 料按經(jīng)向鋪貼好的坯件放入涂有脫模劑(或覆有隔 離膜)的模具內(nèi),用限位條控制厚度,采用模壓法制 造層合板。分別按標(biāo)準(zhǔn)中的工藝參數(shù)固化成型,自 然冷卻至60℃以下,卸壓出模。

(3)夾層板的制備

EP/GF復(fù)合材料滾筒剝離強(qiáng)度試樣為鋁蜂窩 夾層結(jié)構(gòu)。試樣用芯材為NA-G5鋁蜂窩,厚度為 16mm;上下面板鋪層對(duì)稱鋪貼,每面各鋪貼5層預(yù) 浸料;玻璃布的經(jīng)向與試件最大尺寸及蜂窩的L方 向平行,緯紗面與蜂窩接觸。將組裝好的真空袋放 入烘箱內(nèi),升溫并抽真空,真空度為0.08~0. MPa,以1.5~3℃/min的升溫速率升到125℃,在 (125±5)℃下保溫2h,自然冷卻至60℃以下取出。

1.4　性能測(cè)試

預(yù)浸料及復(fù)合材料層壓板的外觀通過(guò)目測(cè); 預(yù)浸料單位面積質(zhì)量和樹(shù)脂含量按JC/T78 -1996測(cè)試;

揮發(fā)分含量按JC/T776-1996測(cè)試;

彎曲性能按GB/T1449-1983測(cè)試;

層間剪切強(qiáng)度按JC/T773-1996測(cè)試;

拉伸性能按GB/T1447-1983測(cè)試;

壓縮性能按GB/T5258-1985測(cè)試;

滾筒剝離強(qiáng)度按Q/6S1145-1994測(cè)試;

縱橫剪切性能按GB/T3355-1982測(cè)試;

拉伸剪切強(qiáng)度按DHN1.015-240測(cè)試。

2　結(jié)果與討論

2.1　EP/GF布預(yù)浸料的物理性能

EP/GF布預(yù)浸料是通過(guò)2步熱熔膠膜法制備,工藝參數(shù)主要有纖維張力、速率、浸漬溫度、壓力等。 若浸漬速率快,則浸漬時(shí)間短,要求浸漬溫度高和壓 力大;而浸漬溫度高時(shí)樹(shù)脂粘度小,在壓力下容易浸 透增強(qiáng)材料,但其溫度過(guò)高,輥壓時(shí)樹(shù)脂因粘度低而 橫向流動(dòng),導(dǎo)致樹(shù)脂含量不均勻或樹(shù)脂含量降低,并 可能影響預(yù)浸料的貯存期。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在涂膠溫 度為70℃、涂膠速率為4m/min、浸漬速率為2m/ min、浸漬溫度為90℃、各輥間距恒定時(shí),可得到符 合標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的預(yù)浸料。預(yù)浸料的外觀均勻平整、無(wú) 干紗、粘性適中,其物理性能見(jiàn)表3。

從表3可見(jiàn),預(yù)浸料的物理性能滿足指標(biāo)要求, 并且外觀和工藝性良好,可滿足復(fù)雜曲面制件對(duì)預(yù) 浸料柔軟性和粘性的要求。

2.2　EP/GF復(fù)合材料的性能

(1)EP/GF復(fù)合材料的常規(guī)性能

采用EP體系可以制備CF布、GF布和芳綸纖 維布等不同織物及單向纖維的預(yù)浸料。該料的粘性 適中、工藝性好,并可以制造復(fù)雜曲面的制件。所研 制的EP/GF復(fù)合材料層壓板的力學(xué)性能見(jiàn)表4。

EP/GF復(fù)合材料的各項(xiàng)性能都較高,復(fù)合材料 的Tg為145.9℃,固化溫度為125℃,故材料的耐熱 性較好。鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有較高的剝離強(qiáng)度,預(yù) 浸料可直接和蜂窩結(jié)構(gòu)結(jié)合制造夾層結(jié)構(gòu),能形成 膠瘤,無(wú)需使用膠膜,簡(jiǎn)化了在預(yù)浸料和蜂窩之間采 用膠膜的復(fù)雜工藝,實(shí)現(xiàn)了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的一次固 化,并能使復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)輕量化。

(2)EP/GF復(fù)合材料的濕熱性能

復(fù)合材料的濕熱性能除了與增強(qiáng)材料和樹(shù)脂本 身的濕熱性能有關(guān)外,還與界面的粘接強(qiáng)度和空隙 率有關(guān)。選擇耐濕熱性能好的樹(shù)脂和適合的成型工 藝,能避免因增強(qiáng)材料的吸濕而造成的性能下降。 EP/GF復(fù)合材料的水煮和濕熱老化性能見(jiàn)表5。

從表5可見(jiàn),EP/GF復(fù)合材料的彎曲性能保持 率較高,其彎曲性能和層間剪切強(qiáng)度保持率比有些 CF復(fù)合材料的濕熱性能高一些[4]。

2.3　EP/GF復(fù)合材料的斷面形貌

圖1為EP/GF復(fù)合材料層壓板剪切強(qiáng)度破壞 試樣斷面的SEM照片。

從圖1可看出,破壞橫截面處的纖維拉出很齊, 表現(xiàn)出GF的特點(diǎn)即為脆性斷裂。通常,CF和GF 復(fù)合材料在破壞橫截面處纖維的斷頭較短、較直、較 齊。而芳論纖維本身的韌性好,斷面處拔出的纖維 長(zhǎng)并彎曲。從圖1b還可以看出,在纖維表面包裹著 一層樹(shù)脂,說(shuō)明界面粘接性能較好。

2.4　EP/GF復(fù)合材料的應(yīng)用

EP/GF布預(yù)浸料是鍛紋布預(yù)浸料,并且預(yù)浸料厚度薄,可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。預(yù)浸料的物理性能、工藝性能 和力學(xué)性能均可滿足設(shè)計(jì)要求。其樹(shù)脂基體具有較 好的韌性和阻燃性。因此EP/GF布預(yù)浸料已被應(yīng) 用于直升機(jī)的槳葉表層、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、艙內(nèi)的座椅 (夾層結(jié)構(gòu))和門(mén)等多個(gè)部件?？梢园袳P/GF布預(yù) 浸料鋪貼到制件的最外層,按一定的工藝成型,能得 到外觀光滑的制件,并且能起到耐磨作用。EP/GF 布預(yù)浸料與泡沫塑料或蜂窩結(jié)構(gòu)一起可制備夾層結(jié) 構(gòu),制造艙內(nèi)座椅和門(mén),不需要膠膜,從而更能實(shí)現(xiàn) 輕量化,并且操作方便。

采用EP/GF布預(yù)浸料和Nomex蜂窩制備的夾 層結(jié)構(gòu)制件即直升機(jī)整流罩如圖2所示。制件的成 型工藝簡(jiǎn)便,一次成型;固化溫度低,在125℃時(shí)即 可固化。從圖2可見(jiàn),制件的正反面都平整光滑,沒(méi) 有缺陷,尺寸和表面質(zhì)量滿足技術(shù)要求,已應(yīng)用于直 升機(jī)。

3　結(jié)論

(1)3233EP具有較好的常規(guī)性能,樹(shù)脂的耐熱 性和韌性良好,所制備的預(yù)浸料的物理性能滿足要 求,工藝性良好。這種預(yù)浸料夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離 強(qiáng)度高,可直接用于夾層結(jié)構(gòu),不需要膠膜。

(2)EP/GF復(fù)合材料在濕熱條件下的力學(xué)性能 保持率較高,復(fù)合材料具有較好的耐濕熱性能。 (3)EP/GF復(fù)合材料試樣破壞斷面的SEM分 析表明,EP與GF的粘接性良好。

(4)EP/GF預(yù)浸料可制備制件的表層或夾層結(jié) 構(gòu),已應(yīng)用于直升機(jī)結(jié)構(gòu)件。