工藝方法和試驗(yàn)環(huán)境對EP／GF層合板力學(xué)性能影響

高琦，趙文忠，張晨暉，李建偉

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,西安 710068)

環(huán)氧樹脂(EP)是一種性能優(yōu)異的熱固性樹脂,具有較好的力學(xué)性能、工藝靈活性、可加工性、耐腐蝕性等,已廣泛應(yīng)用于制作復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)材料等[1–2]。但其固化過程中易產(chǎn)生裂紋,且耐沖擊性能較低,韌性不足等缺點(diǎn)使其應(yīng)用受到極大的限制。通過填加不同的增強(qiáng)材料對EP進(jìn)行增韌改性,制成復(fù)合材料,可有效提升其力學(xué)性能。玻璃纖維(GF)具有拉伸強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特點(diǎn),GF增強(qiáng)EP (EP／GF)復(fù)合材料是以EP為基體和GF為增強(qiáng)體組成的一類樹脂基復(fù)合材料,因具有低密度、高強(qiáng)度、良好的電絕緣性和耐腐蝕性能而廣泛應(yīng)用于航空航天、雷達(dá)天線罩、飛機(jī)制造等領(lǐng)域[3–5]。

為了進(jìn)一步提高樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能,諸多學(xué)者開展了相關(guān)研究,如張碩等[6–8]對EP／GF復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)研究；吳海亮[9]則對EP含量對EP／GF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響開展了論證分析；左祺等[10–12]針對復(fù)合材料制件的結(jié)構(gòu)特殊性,從多角度討論分析了纖維鋪層方式對樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響；N. B. V. L. Kumari等[13–14]對樹脂基復(fù)合材料的環(huán)境適應(yīng)性開展了相關(guān)研究,馮振宇等[15–17]在研究溫度、濕度對復(fù)合材料力學(xué)性能影響的背景下,重點(diǎn)分析了濕熱環(huán)境下樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能降低的原因。

復(fù)合材料層合板是由多層預(yù)浸料鋪貼壓制而成,是復(fù)合材料制件的主要形式之一,其力學(xué)性能受預(yù)浸料鋪覆層數(shù)、鋪層角度、成型工藝等因素的影響,通過調(diào)整預(yù)浸料樹脂含量、鋪層參數(shù)及熱壓罐固化工藝等可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料層合板的可設(shè)計(jì)性。面對新一代雷達(dá)天線對樹脂基復(fù)合材料高強(qiáng)度、耐沖擊、高承載性及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的迫切需求,筆者對新研制的國產(chǎn)高精度、高強(qiáng)EP／GF層合板的拉伸、壓縮、層間剪切等力學(xué)性能進(jìn)行了研究,分析了預(yù)浸料的鋪層方式及樹脂含量對EP／GF層合板力學(xué)性能的影響,討論了溫、濕度等環(huán)境條件對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,特別是濕熱狀態(tài)下復(fù)合材料力學(xué)性能下降明顯的原因,為其應(yīng)用于新一代雷達(dá)天線提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

GF薄層中溫固化預(yù)浸料：EP含量分別為33%,38%,中國航空制造技術(shù)研究院。

1.2 主要儀器與設(shè)備

熱壓罐：J10–019型,西安江河機(jī)器制造有限公司；

電子拉力試驗(yàn)機(jī)：EMT305D型,深圳萬測儀器設(shè)備有限公司；

引伸計(jì)：ZYS–2型,西安世紀(jì)測控技術(shù)研究所；

高低溫試驗(yàn)箱：SANS GDX300型,深圳新三思計(jì)量技術(shù)有限公司；

恒溫恒濕試驗(yàn)箱：HY–TH–225BH型,東莞市泓進(jìn)檢測儀器有限公司；

電阻應(yīng)變計(jì)：TST120型,江蘇泰斯特電子設(shè)備制造有限公司。

1.3 EP／GF層合板的制備

使用下料工裝分別裁剪 0°,+45°,–45°,90°的EP薄層中溫固化預(yù)浸料,按設(shè)計(jì)要求將裁剪好的預(yù)浸料按照相應(yīng)的順序鋪貼。用酒精清理平板模具,然后用棉紗沾700NC脫模劑在平板模具表面均勻涂抹2遍,每遍之間間隔15 min,晾干后在金屬平板模具上進(jìn)行預(yù)浸料的固化,工藝組合為模具／預(yù)浸料毛坯／隔離膜／透氣氈／真空袋,真空袋四周用耐高溫膠條進(jìn)行密封,室溫下抽真空至–95 kPa以下,隨后在熱壓罐中進(jìn)行加壓升溫固化。熱壓罐固化工藝的升溫速率、固化溫度、固化壓力、加壓時(shí)間等因素決定了層合板的固化質(zhì)量,根據(jù)EP／GF復(fù)合材料的特點(diǎn),試驗(yàn)的固化工藝為：室溫下抽真空至–0.095 MPa以下,模具溫度升至30℃,罐內(nèi)壓力加壓至(0.40±0.02) MPa,以2.5℃／min的升溫速度加熱升溫,當(dāng)模具溫度升至130℃后,保溫保壓(180±10) min,帶壓冷卻至模具溫度為60℃以下,卸壓出罐。根據(jù)試驗(yàn)要求,共制作3塊EP／GF層合板：

(1)層合板1。

使用EP含量為38%的GF薄層中溫固化預(yù)浸料,共鋪 20 層,鋪層順序及角度為 [0°／+45°／–45°／90°]5。

(2)層合板2。

使用EP含量為33%的GF薄層中溫固化預(yù)浸料,共鋪 20 層,鋪層順序及角度為 [0°／+45°／–45°／90°]5。

(3)層合板3。

使用EP含量為33%的GF薄層中溫固化預(yù)浸料,共鋪 20層,鋪層順序及角度為 [0°／90°／0°／+45°／–45°／90°／0°／+45°／–45°／90°]1s。

1.4 試樣處理

根據(jù)相應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,采用數(shù)控銑的方法將層合板加工成標(biāo)準(zhǔn)測試尺寸,并按照下列要求將測試試樣做相應(yīng)的前處理：

高溫濕態(tài)(ETW)試樣均按照HB 7401–1996的規(guī)定,在恒溫恒濕試驗(yàn)箱中于溫度(70±3)℃、相對濕度(95±5)%條件下濕熱處理至吸濕飽和(質(zhì)量至恒定值)；

–50℃低溫干態(tài)(CTD)試樣的處理在高低溫試驗(yàn)箱 (–70～350℃)中保溫5～8 min進(jìn)行,采用液氮進(jìn)行降溫,并采用高精度控溫器進(jìn)行控溫；

80℃高溫干態(tài)(ETD)試樣的處理在高低溫試驗(yàn)箱 (–70～350℃)中保溫 5～8 min進(jìn)行,采用電阻絲加熱,并采用高精度控溫器進(jìn)行控溫；

室溫干態(tài)(RTD)試樣的處理在空氣中進(jìn)行,采用空調(diào)對室內(nèi)溫度進(jìn)行控制。

1.5 性能測試

拉伸強(qiáng)度按照GB／T 1447–2005測試,試驗(yàn)加載速率為2.0 mm／min,有效測試試樣不少于5個(gè),測試結(jié)果取平均值；

面內(nèi)壓縮性能按照GB／T 5258–2008測試,試驗(yàn)加載速率為1.3 mm／min,有效測試試樣不少于5個(gè),測試結(jié)果取平均值；

層間剪切性能按照J(rèn)C／T 773–2010測試,試驗(yàn)加載速率為1.0 mm／min,有效測試試樣不少于5個(gè),測試結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 EP含量對EP／GF層合板力學(xué)性能的影響

固定熱壓罐固化溫度、固化壓力和固化時(shí)間,采用不同EP含量的復(fù)合材料預(yù)浸料制得的EP／GF層合板力學(xué)性能見表1。

表1 不同EP含量的EP／GF層合板的力學(xué)性能 MPa

由表1可以看出,EP含量為38%的層合板1的拉伸強(qiáng)度平均值、面內(nèi)壓縮強(qiáng)度平均值、層間剪切強(qiáng)度平均值分別為485.42,298.46,62.19 MPa；EP含量為33%的層合板2的拉伸強(qiáng)度平均值、面內(nèi)壓縮強(qiáng)度平均值、層間剪切強(qiáng)度平均值分別為523.87,331.74,70.03 MPa,層合板2的三項(xiàng)力學(xué)性能均高于層合板1,后者較前者分別提升7.9%,11.2%和12.6%。表明EP含量對EP／GF層合板的力學(xué)性能有明顯影響。EP／GF層合板的界面層主要有GF層和EP層,EP和GF的界面通過化學(xué)基團(tuán)的相互作用及凹凸部位的機(jī)械結(jié)合作用來提高粘接強(qiáng)度。在預(yù)浸料面重確定的情況下,當(dāng)EP含量過高時(shí),導(dǎo)致GF含量低,界面面積減少,增強(qiáng)效果減弱,材料力學(xué)性能降低。理論上GF含量越高,復(fù)合材料的強(qiáng)度越大,但EP含量過低時(shí),EP無法完全浸潤GF,導(dǎo)致GF貧膠且粘接不牢,致使復(fù)合材料的力學(xué)性能降低。對于平紋織物復(fù)合材料,層與層間無GF連接,當(dāng)EP含量過低時(shí),容易發(fā)生層間破壞；當(dāng)EP含量過高時(shí),導(dǎo)致GF體積含量低,界面面積減小,復(fù)合材料在受到外部載荷作用時(shí)發(fā)生EP基體的破壞[9],GF的增強(qiáng)效果無法體現(xiàn),致使復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能降低。因此,通過控制預(yù)浸料的EP含量,可有效地提升復(fù)合材料層合板的綜合力學(xué)性能。

2.2 鋪層參數(shù)對EP／GF層合板力學(xué)性能的影響

使用EP含量為33%的GF薄層中溫固化預(yù)浸料,固定熱壓罐的固化溫度、固化壓力和固化時(shí)間,采用不同鋪層參數(shù)制備的EP／GF層合板的力學(xué)性能見表2。

表2 不同鋪層參數(shù)的EP／GF層合板的力學(xué)性能 MPa

由表 2 可以看出,采用 [0°／+45°／–45°／90°]5鋪層參數(shù)的層合板2的拉伸強(qiáng)度平均值、面內(nèi)壓縮強(qiáng)度平均值、層間剪切強(qiáng)度平均值分別為523.87,331.74,70.03 MPa,采用 [0°／90°／0°／+45°／–45°／90°／0°／+45°／–45°／90°]1s鋪層參數(shù)的層合板 3的拉伸強(qiáng)度平均值、面內(nèi)壓縮強(qiáng)度平均值、層間剪切強(qiáng)度平均值分別為614.22,413.24,64.04 MPa。相比采用[0°／+45°／–45°／90°]5鋪層參數(shù)的層合板2,采用對稱鋪層的 [0°／90°／0°／+45°／–45°／90°／0°／+45°／–45°／90°]1s鋪層參數(shù)的層合板 3 的拉伸強(qiáng)度、面內(nèi)壓縮強(qiáng)度均顯著提升,分別提升17.2%和24.6%,而層間剪切強(qiáng)度則降低8.6%。層合板在受到外力作用時(shí),拉伸和面內(nèi)壓縮的載荷主要由0°,90°方向的纖維承擔(dān),因此層合板3通過增加0°,90°的纖維鋪層,實(shí)現(xiàn)了拉伸強(qiáng)度及面內(nèi)壓縮強(qiáng)度的提升；復(fù)合材料層合板抵抗層間應(yīng)力的能力較差,在外部集中載荷作用下,易發(fā)生層間分層；在層合板 0°,+45°,–45°,90°的 GF 各向分布均勻的情況下,EP基體可以把外部集中載荷作用傳遞給各向GF,GF把集中載荷傳遞到層合板各個(gè)部位,分散外部集中載荷,能夠有效阻止分層擴(kuò)展,使層合板具有更優(yōu)異的穩(wěn)定性及更高的層間剪切強(qiáng)度。層合板2的GF各向分布均勻,使之具有更高的層間剪切強(qiáng)度。

2.3 環(huán)境試驗(yàn)條件對EP／GF層合板拉伸性能的影響

層合板3在室溫干態(tài)、–50℃低溫干態(tài)、80℃高溫干態(tài)、高溫濕態(tài)四種不同環(huán)境條件下的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量如圖1所示。

圖1 不同環(huán)境試驗(yàn)條件下層合板3的拉伸性能

由圖1可知,在–50℃低溫干態(tài)下,層合板3的拉伸強(qiáng)度高于室溫干態(tài)下的拉伸強(qiáng)度；在80℃高溫干態(tài)下,層合板3的拉伸強(qiáng)度較室溫干態(tài)的拉伸強(qiáng)度下降9.2%；經(jīng)高溫濕態(tài)處理后,層合板3的拉伸強(qiáng)度相比較室溫干態(tài)條件下降46%。這是由于在–50℃低溫干態(tài)下EP和GF的結(jié)合度提升,GF間載荷傳遞能力增強(qiáng),導(dǎo)致層合板3的拉伸強(qiáng)度升高；80℃高溫干態(tài)降低了EP基體的強(qiáng)度,使EP基體傳遞應(yīng)力的能力下降,導(dǎo)致復(fù)合材料層合板3的拉伸強(qiáng)度下降；高溫濕態(tài)處理使部分水分子在EP基體內(nèi)滲透和擴(kuò)散,水分子容易與GF表面的大量的硅羥基等結(jié)合,一定程度破壞了GF與EP基體的界面,同時(shí)水分的塑化作用也可能降低了EP的強(qiáng)度,從而使EP基體傳遞應(yīng)力的能力降低,導(dǎo)致層合板3的承載能力顯著下降,說明復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度對濕熱環(huán)境更加敏感[18]。拉伸彈性模量反映了復(fù)合材料在初始載荷作用下的抗變形能力,其對溫度的依賴性與拉伸強(qiáng)度類似。這反映出隨著EP及GF在低溫條件下分子鏈無序運(yùn)動(dòng)能力降低到高溫條件下熱運(yùn)動(dòng)速率提升,材料的拉伸彈性模量由高到低的下降過程,特別是EP基體熱性能和力學(xué)性能等對環(huán)境溫、濕度的依賴性,導(dǎo)致復(fù)合材料層合板的拉伸性能對環(huán)境溫度、濕度的敏感性。此外,拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量的離散系數(shù)均小于10%,說明復(fù)合材料層合板的拉伸性能具有良好的穩(wěn)定性。

2.4 環(huán)境試驗(yàn)條件對EP／GF層合板面內(nèi)壓縮性能的影響

面內(nèi)壓縮性能試驗(yàn)主要考察復(fù)合材料層合板在壓縮載荷作用下的承載能力。層合板3在室溫干態(tài)、–50℃低溫干態(tài)、80℃高溫干態(tài)、高溫濕態(tài)四種不同環(huán)境條件下的面內(nèi)壓縮強(qiáng)度和面內(nèi)壓縮彈性模量如圖2所示。

圖2 不同環(huán)境試驗(yàn)條件下層合板3的面內(nèi)壓縮性能

由圖2可看出,相較于室溫干態(tài),–50℃低溫干態(tài)條件下的面內(nèi)壓縮強(qiáng)度無明顯變化,80℃高溫干態(tài)條件下的面內(nèi)壓縮強(qiáng)度下降24.7%,高溫濕態(tài)條件下的面內(nèi)壓縮強(qiáng)度下降33.8%。有研究表明[14]基體對纖維的束縛作用賦予復(fù)合材料較高的壓縮性能,樹脂基體的強(qiáng)度及基體與纖維間界面粘接強(qiáng)度對整體壓縮性能的影響顯著。80℃高溫干態(tài)條件下層合板的面內(nèi)壓縮強(qiáng)度下降顯著是因?yàn)楦邷丨h(huán)境降低了EP基體的強(qiáng)度,使EP基體對GF的束縛能力和傳遞應(yīng)力的能力下降,導(dǎo)致EP／GF層合板的壓縮強(qiáng)度下降；此外,濕熱處理一定程度上破壞了EP與GF之間的界面,同時(shí)水分子對EP基體的塑化作用降低了EP的強(qiáng)度,從而降低了EP基體對GF的束縛和傳遞應(yīng)力的作用,導(dǎo)致層合板的承壓能力下降[19]。面內(nèi)壓縮彈性模量主要考察復(fù)合材料在初始壓縮載荷作用下的抗壓縮變形的能力,試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明壓縮彈性模量受溫度和濕度影響不明顯。此外,面內(nèi)壓縮強(qiáng)度和面內(nèi)壓縮彈性模量的離散系數(shù)均小于10%,說明復(fù)合材料層合板的面內(nèi)壓縮性能具有良好的穩(wěn)定性。

2.5 環(huán)境試驗(yàn)條件對EP／GF層合板層間剪切性能的影響

層間剪切性能試驗(yàn)主要評估復(fù)合材料層合板在彎曲載荷作用下面間的剪切性能。層合板在室溫干態(tài)、–50℃低溫干態(tài)、80℃高溫干態(tài)、高溫濕態(tài)四種不同環(huán)境條件下的層間剪切強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 不同環(huán)境試驗(yàn)條件下的層間剪切性能

由圖3可看出,相較于室溫干態(tài),–50℃低溫干態(tài)條件下的層間剪切強(qiáng)度提高23.1%,原因是高分子聚合物在低溫環(huán)境作用下,EP基體收縮,分子間距變小[20],表現(xiàn)為EP基體強(qiáng)度增加,致使EP／GF層合板3的層間剪切強(qiáng)度提升；80℃高溫干態(tài)條件下的層間剪切強(qiáng)度下降28.3%；高溫濕態(tài)條件下的層間剪切強(qiáng)度下降36.1%,因?yàn)椴牧媳砻娴奈鼭袼吭诤艽蟪潭壬蠜Q定了復(fù)合材料的層間剪切性能,復(fù)合材料界面受吸濕水影響較大,水分子進(jìn)入EP基體后通過溶脹作用使基體發(fā)生增塑,為鏈段運(yùn)動(dòng)提供了所需的自由體積,使EP性能降低。EP吸濕后會(huì)發(fā)生膨脹,使得EP／GF界面上產(chǎn)生剪切濕應(yīng)力,使得界面性能下降,最終導(dǎo)致層合板的層間剪切強(qiáng)度下降明顯。

3 結(jié)論

針對新研制的國產(chǎn)GF增強(qiáng)EP復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn),深入研究了EP含量、鋪層參數(shù)以及試驗(yàn)環(huán)境對復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的影響,得到如下結(jié)論：

(1)在鋪層參數(shù)相同的情況下,相較于層合板1,層合板2通過降低EP含量使其拉伸強(qiáng)度、面內(nèi)壓縮強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度分別提升7.9%,11.2%和12.6%,表明EP含量對復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的影響明顯,控制預(yù)浸料的EP含量是提升復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的重要手段。

(2)在預(yù)浸料EP含量相同的情況下,層合板3通過增加0°,90°的GF鋪層使拉伸強(qiáng)度及面內(nèi)壓縮強(qiáng)度分別提升17.2%和24.6%,層間剪切強(qiáng)度下降8.6%；層合板2各向GF分布均勻,EP基體可以把外部集中載荷作用傳遞給各向GF,分散外部集中載荷,能夠有效阻止分層擴(kuò)展,使層合板具有更優(yōu)異的穩(wěn)定性及更高的層間剪切強(qiáng)度。

(3)在室溫干態(tài)、–50℃低溫干態(tài)、80℃高溫干態(tài)和高溫濕態(tài)四種環(huán)境測試條件下,對復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能進(jìn)行測試,結(jié)果表明,層合板3的力學(xué)性能受溫度、濕度影響較大,在高溫濕態(tài)條件下,層合板的拉伸強(qiáng)度、面內(nèi)壓縮強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度分別下降46%,33.8%和36.1%。