光固化E44/CER復配樹脂基復合材料的力學性能

趙培仲，王一峰，余周輝

（海軍航空大學青島校區航空機械系，山東 青島 266041）

脂環族環氧樹脂（Cycloaliphatic Epoxy Resin，CER）的環氧基直接連接在脂環上，能形成緊密的剛性分子結構，固化后交聯密度大，固化收縮率小，拉伸強度高[1～3]。同時，脂環族環氧樹脂的黏度比較低，對于濕法成型復合材料來說，工藝性好。但固化物較脆，韌性差，且脂環族環氧樹脂的制備工藝復雜，生產成本昂貴[4]。雙酚A型環氧樹脂E44則成本較低，黏度相對較高，尤其是溫度較低的時候，嚴重影響濕鋪法的工藝性。光固化和熱固化相比，固化效率高，操作簡單，特別適合外場條件下的快速粘接修理作業[5]。因此，本文將E44和脂環族環氧樹脂進行復配作為復合材料基體，研究其光固化復合材料的力學性能，并應用到復合材料粘接修理中。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及設備

T26樹脂，雙[（3,4-環氧環己基）甲基]己二酸酯，江蘇泰州泰特爾化工有限公司；環氧樹脂E44，鎮江丹寶樹脂有限公司；陽離子光引發劑820、二甲苯基碘鎓六氟磷酸鹽，姜堰市嘉晟科技有限公司；過氧化苯甲酰（BPO），上海國藥集團；SW100A-90a玻璃纖維平紋布，南京玻璃纖維研究設計院。

1 000 W高壓汞燈，上海煜業電光源制造有限公司。

1.2 光固化復合材料

光固化復合材料采用濕鋪法，以不同比例復配的樹脂為基體，玻璃纖維平紋布為增強體，一次性鋪設到6層后，置于高壓汞燈下，垂直距離150 mm，輻照20 min。參考ASTMD638將固化后的復合材料試樣裁成啞鈴型，用于測試拉伸性能。復配樹脂的組成如表1所示。

表1 復配樹脂膠液的組成Tab.1 Blend resin composition

1.3 光固化粘接修理

預制損傷。2A12鋁合金板材，1.5 mm厚，裁剪成50 mm寬，180 mm長，在中心鉆直徑10 mm的通孔模擬破孔損傷。

濕鋪法粘接修理損傷鋁合金板。粘接修理前對粘接區域進行溶劑清洗以及噴砂處理。復合材料補片的寬度和鋁合金損傷板相同，鋪設6層，每一層長均為90 mm。破孔位于補片下方中心位置。完成鋪設后，紫外光輻照20 min進行固化。

1.4 拉伸性能測試

光固化復合材料補片以及粘接修理試樣均采用濟南泰思特公司WDW-1型電子萬能拉力機在室溫下測試試樣拉伸性能。室溫下測試，拉伸速率5 mm/min。每組5個試樣，取平均值。

2 結果與討論

2.1 光固化復合材料補片

由于E44的黏度較大，所以隨其質量分數的增大，復配樹脂的黏度逐漸增大。這樣在復合材料的濕鋪階段工藝性會隨之變差。當E44質量分數超過15%后，工藝性明顯變差，容易導致樹脂的用量增大，試樣厚度較大。

光固化樹脂的固化厚度通常都比較小，加入增強體后，紫外光的衰減加劇，固化厚度更加有限。本文采用陽離子固化機理，對單純的T26樹脂體系而言，具有自蔓延特性，這樣就較好地解決了固化厚度受限的問題[6]。但是，E44樹脂的自蔓延特性較差，基本不能實現自蔓延固化。因此，在進行光固化時，隨著E44含量的增加，復合材料的整體固化程度也可能隨之變化。實驗發現，當E44的質量分數達到30%時，固化程度明顯降低，超過50%后，底層稍微發黏，出現試樣底部不完全固化的現象。試樣的拉伸測試的斷裂破壞模式也說明了這一點，在E44含量較低的時候，脆性斷裂，斷口比較齊整（圖1，b）。當E44含量較高時，斷口處有纖維絲連（圖1，a）。

圖1 拉伸斷裂模式Fig.1 Tensile fracture mode

圖2 是光固化復合材料補片力學性能隨著E44含量的變化曲線。

圖2 復合材料補片拉伸性能隨E44質量分數的變化Fig.2 Tensile properties of composite patches with different E44 weight percentage

顯然，隨著E44含量的增大，復合材料的拉伸強度逐漸降低。而且，當E44質量分數超過20%時，拉伸強度下降更快。脂環族環氧樹脂固化交聯密度大，隨著E44含量的增加，復配樹脂基體的固化交聯密度下降，使得固化后復合材料的拉伸強度降低。當E44質量分數超過20%后，固化交聯密度的下降更加明顯，進一步導致復合材料補片的拉伸強度下降，由于復合材料補片中纖維是主要的承載部分，因此拉伸模量變化并不大。

2.2 光固化復合材料粘接修理

光固化復合材料粘接修理可以快速完成損傷結構的修理，在應急搶修中具有很好的應用前景。本次實驗中，補片尺寸為50 mm×90 mm，鋪設6層相同尺寸，一次性完成鋪設后，紫外光輻照20 min固化。拉伸性能測試表明，隨著復合材料補片復配樹脂基體中E44含量的增加，粘接修理結構試樣的拉伸強度并不像單純的復合材料補片那樣逐漸下降。如圖3和表2所示。

圖3 粘接修理結構試樣的拉伸強度隨E44用量的變化Fig.3 Tensile strength of adhesively bonded repair structure specimens with different E44 weight percentage

其中拉伸強度是名義拉伸強度。以鋁合金厚度加上復合材料補片厚度和鋁合金寬度減去破孔直徑后的乘積作為截面積，再依據破壞載荷得到名義拉伸強度。如圖3所示，其中E44質量分數在0～15%時，試樣的拉伸強度基本保持不變。隨著E44含量的增加基體固化后交聯密度下降，基體的強度下降，但是其變形協調能力增強。載荷通過膠層（膠層也是復配樹脂）傳遞到復合材料補片，分擔結構的載荷。在復合材料補片中，纖維承擔大部分載荷，由于基體強度遠低于纖維的強度，所以受力后首先在基體中產生裂紋，并在裂尖產生應力集中。裂尖的曲率半徑越小，應力集中越大。當應力集中大于基體強度時，裂紋就會擴展，直至材料斷裂。如果基體變形能力增大，會使裂尖曲率半徑變大，應力集中會大幅度下降。當應力集中低于基體的強度時，裂紋停止擴展。同時，由于復合材料有纖維增強體，當樹脂出現微裂紋延伸到纖維處時，因纖維的阻礙限制了微裂紋的進一步擴展。此時必須增加作用應力材料才會破壞，表現為材料強度提高了，從而起到較好的修理效果。如果基體材料過于剛硬，變形協調能力較差，反而容易導致粘接修理失效。2種因素共同作用的結果是，具有適當的補片強度和基體的變形協調能力是最佳修復效果。根據實驗結果，可以選擇E44質量分數10%的共混樹脂作為復合材料樹脂基體。此時，既可降低成本，而且還具有較好的力學性能。

表2 粘接修理結構試樣的力學性能Tab.2 Mechanical properties of adhesively bonded repair structures specimens

3 結論

通過復配的方式，將脂環族環氧樹脂和E44環氧樹脂進行復配，并以此為基體制備了復合材料補片。拉伸性能測試表明，E44質量分數的增加，會導致復合材料拉伸強度的逐漸下降。但是，在E44質量分數5%以內，變化并不大。當E44質量分數在10%～20%時，有明顯下降，但是，此時復合材料基體具有較高的固化交聯密度和力學性能。進一步增加E44含量，會導致固化交聯密度的降低，當E44質量分數超過50%，復合材料補片將不能完全固化。將光固化復合材料應用到鋁合金損傷結構的粘接修理，實驗發現，盡管隨著E44含量的增加，復合材料補片拉伸強度下降，但是，粘接修理后的結構試樣性能并沒有隨之下降。而是在E44質量分數為10%時，出現了最佳的修復效率。

[1]余周輝,趙培仲,胡芳友.光固化ES/CEP共混物及其復合材料力學性能研究[J].玻璃鋼/復合材料,2017,44(4):60-65.

[2]張琳.脂環族環氧樹脂的熱陽離子聚合反應研究[D].大連:大連理工大學,2016.

[3]彭靜.環氧樹脂光—熱雙重固化體系的設計與研究[D].北京:北京化工大學,2016.

[4]何少波,陳允,崔博源,等.雙酚A環氧樹脂/脂環族環氧樹脂的共混改性研究[J].絕緣材料,2016,49(3):11-15.

[5]戴京濤,黃旭仁,李艷麗,等.UV固化復合材料快速修復金屬損傷結構[J].粘接,2012,33(5):75-77.

[6]趙培仲,魏華凱,黃旭仁,等.光固化碳纖維布/CEPES復合材料粘接修理金屬損傷結構[J].玻璃鋼/復合材料,2015,42(6):88-92.