固化溫度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂碳帶復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

鄭超 吳琨 李毅

摘 ? 要：采用自動(dòng)鋪放和熱壓罐成型法制備環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維復(fù)合材料層壓板，研究不同環(huán)境狀態(tài)和不同固化溫度對(duì)復(fù)合材料層壓板拉伸性能的影響。結(jié)果表明;70°C濕態(tài)+濕態(tài)（85%RH）環(huán)境下，環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能較23℃干態(tài)條件下降25.28%;以190℃作為最高固化后溫度，環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能最高，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為2715.40MPa和192.20GPa。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹(shù)脂 ?復(fù)合材料 ?固化溫度 ?力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TB33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（a）-0091-03

環(huán)氧樹(shù)脂具有良好的耐化學(xué)藥品性和優(yōu)良的電絕緣性、耐疲勞性能好、高強(qiáng)度和優(yōu)異的工藝性能，被廣泛用作于復(fù)合材料的的基體材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、耐疲勞性能好、耐化學(xué)腐蝕性能好，可設(shè)計(jì)性高，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、交通運(yùn)輸，尤其在航空航天等需要減重的領(lǐng)域應(yīng)用取得較好的成效[1-3]。

熱固化性碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料成型，受樹(shù)脂和纖維增強(qiáng)材料的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致復(fù)合材料固化成型后不可避免地產(chǎn)生殘余應(yīng)力，通常采用升高溫度的方式來(lái)降低樹(shù)脂基復(fù)合材料的殘余應(yīng)力，目前航空用環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料有高溫165℃～180℃和中溫125℃～135℃兩種固化溫度[3-4]。

本文以M21/34%/UD194/IMA-12K碳帶作為測(cè)試材料，分別以180℃、190℃和200℃為固化溫度進(jìn)行固化120min，測(cè)試不同環(huán)境狀態(tài)：-55°C干態(tài);23°C干態(tài);70°C濕態(tài)+濕態(tài)（85%RH）0°和90°拉伸性能，以分析不同固化溫度對(duì)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 ?實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

碳帶供應(yīng)商為HEXCEL ，牌號(hào)為M21/34%/UD194/IMA-12K，基體為環(huán)氧樹(shù)脂。

1.2 測(cè)試設(shè)備及條件

差示掃描熱量計(jì)為DSC為S Ⅱ-DSC 7020，以20℃/min 的速率進(jìn)行室溫到150℃的升降溫循環(huán)2次，消除試件材料以前的熱歷史，按照2℃/min、3℃/min、5℃/min和10℃/min速率升溫，加熱到300℃。

1.3 層壓板制備

復(fù)合材料成型采用自動(dòng)鋪帶機(jī)型號(hào)為T(mén)ORRESLAYUP，生產(chǎn)廠家為M.Torres。采用熱壓罐成型復(fù)合材料層壓板，固化壓力0.7MPa，升溫速率為0.15℃/min ～3℃/min，固化后降至60℃以下卸壓出罐，得到復(fù)合材料層壓板。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備及條件

力學(xué)性能在MTS 370.25疲勞試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試，復(fù)合材料的拉伸試樣尺寸為250mm×15mm，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D3039。復(fù)合材料的壓縮尺寸為140mm×12mm，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D6641。復(fù)合材料的短梁剪切尺寸為18mm×6mm，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D2344。每組樣品準(zhǔn)備6件。

2 ?結(jié)果和討論

2.1 樹(shù)脂體系DSC測(cè)試分析

DSC分析可以了解樹(shù)脂的固化特性，對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行DSC分析可以得到基本的固化反應(yīng)溫度。表1為不同升溫速率的峰始溫度Ti，峰頂溫度Tp和峰終溫度Tf，由表1可以看出峰始溫度Ti，峰頂溫度Tp和峰終溫度Tf都向高溫方向移動(dòng)，這是由于隨升溫速率的提高，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越大，熱慣性也越大，產(chǎn)生的溫度差也就越大，固化反應(yīng)峰也就向高溫移動(dòng)。

將表1中不同升溫速率下的峰始溫度Ti，峰頂溫度Tp和峰終溫度Tf作圖，并進(jìn)行線(xiàn)性擬合，如圖1所示，并外推至升溫速率為0的坐標(biāo)軸上的各點(diǎn)數(shù)據(jù)，可分別得到Ti0=143.44℃;峰頂溫度Tp0=213.42℃;峰終溫度Tf0=257.50℃，可以這三個(gè)溫度作為近似的凝膠溫度、固化反應(yīng)溫度和后處理溫度。根據(jù)時(shí)溫等效原理，高溫短時(shí)間固化和低溫長(zhǎng)時(shí)間固化是等效的，因此工廠生產(chǎn)一般選擇低溫長(zhǎng)時(shí)間固化工藝來(lái)為控制產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 不同環(huán)境狀態(tài)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

表2為不同環(huán)境狀態(tài)下180℃固化復(fù)合材料的0°拉伸性能，由表2可以看出，在-55℃干態(tài)條件下，拉伸強(qiáng)度、拉伸模量以及泊松比較23℃干態(tài)下的性能參數(shù)未出現(xiàn)差異，說(shuō)明降低溫度不影響復(fù)合材料的力學(xué)性能;在70℃濕態(tài)+濕態(tài)（85%RH）條件下，即試樣在吸水飽和的情況下，其拉伸強(qiáng)度較23℃干態(tài)條件下降約25.28%，拉伸模量與泊松比均有下降。表3為不同環(huán)境狀態(tài)180℃固化復(fù)合材料的90°拉伸性能，由表3可看出，70℃濕態(tài)+濕態(tài)（85%RH）較23℃干態(tài)條件的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量均出現(xiàn)下降，說(shuō)明材料受高溫高濕對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基體的力學(xué)性能的影響較大。

2.3 固化溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖2為23℃干態(tài)不同固化溫度下復(fù)合材料的0°拉伸性能，由圖可以看出，當(dāng)固化成型溫度為180℃時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為2494.69MPa，拉伸模量為190.10 GPa，當(dāng)溫度升高到190℃時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為2715.40 MPa，拉伸模量變化不大，當(dāng)成型溫度在200℃時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度相比190℃發(fā)生了明顯的下降，下降了6.88%。表4為23℃干態(tài)不同固化溫度下復(fù)合材料的90°拉伸性能，可以看出拉伸強(qiáng)度和拉伸模量隨溫度變化很小，說(shuō)明三種固化溫度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基體的力學(xué)性能影響不大。

3 ?結(jié)語(yǔ)

（1）采用差示掃描量熱法測(cè)定環(huán)氧樹(shù)脂體系的DSC曲線(xiàn)，并通過(guò)外推法得到該樹(shù)脂的3個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)：凝膠溫度143.44℃、固化反應(yīng)溫度213.42℃和后處理溫度257.50℃。

（2）低溫不影響環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，高溫高濕環(huán)境下力學(xué)性能下降較明顯。

（3）分別以180℃、190℃、200℃作為最高固化溫度時(shí)，190℃固化后環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最高。

參考文獻(xiàn)

[1] 代少俊.高性能纖維復(fù)合材料[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2013.

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