T700碳/EW 100A玻璃纖維預(yù)浸料制備及其力學(xué)性能研究

熊玉成 巴德瑪 李長青 崔海超

摘要：分別使用T700碳纖維、EW100A玻璃纖維和環(huán)氧樹脂系復(fù)合制成預(yù)浸料，按照特定鋪層固化成復(fù)合材料層合板，對其拉伸、壓縮和層間剪切性能進(jìn)行測試，并觀察了斷口的微觀形貌，優(yōu)選性能較好的作為復(fù)合材料挖補用預(yù)浸料，結(jié)果表明，T700碳纖維增強的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能較好，平均拉伸強度和模量分別為1185MPa和65.2GPa，平均壓縮強度和壓縮模量分別為580MPa和58.6GPa。EW100A玻璃碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層間剪切性能較好，平均層間剪切強度為66.4MPa，1700碳纖維增強復(fù)合材料的平均剪切強度為65.8MPa，通過微觀形貌觀察分析，可以得出T700碳纖維的力學(xué)性能優(yōu)于EW100A玻璃纖維，二者與樹脂的結(jié)合能力相差不大。

關(guān)鍵詞：碳纖維;玻璃纖維;環(huán)氧樹脂;預(yù)浸料;力學(xué)性能

中圖分類號：TQ050.4⁺3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）05-0052-05

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在航天器、飛機、艦船、高速列車、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用近些年來迅速增加，并部分取代了鋁合金、鋼鐵，成為裝備結(jié)構(gòu)材料中發(fā)展最為迅速的先進(jìn)材料之一。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特殊，在制造和使用過程中極易產(chǎn)生各種不同程度上的損傷，其結(jié)構(gòu)損傷修理問題嚴(yán)重阻礙了進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用。

復(fù)合材料的膠接挖補修理工藝因為能夠較好的恢復(fù)構(gòu)件的氣動外形并產(chǎn)生較小的的修補應(yīng)力，是當(dāng)前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理中普遍采用的一種永久性修理方法。根據(jù)修補使用的材料不同，可以將挖補分為預(yù)浸料修理，預(yù)固化修理和濕鋪修理。當(dāng)使用預(yù)浸料對復(fù)合材料進(jìn)行修理時，其本身力學(xué)性能將直接影響修補效果的好壞。預(yù)浸料的性能由樹脂基體和增強纖維的種類決定。

本文分別采用兩種不同纖維的織物制成兩種預(yù)浸料并研究了對應(yīng)層壓板的力學(xué)性能，為下一步的復(fù)合材料膠接挖補修理優(yōu)選出力學(xué)性能較好的預(yù)浸料。

1實驗部分

1.1實驗材料

LTC80環(huán)氧樹脂體系，由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司提供;國產(chǎn)T700碳纖維織物，康德復(fù)合材料有限責(zé)任公司;國產(chǎn)EWl00A玻璃纖維織物，中材科技股份有限公司。

1.2實驗設(shè)備

DSC 204F1示差掃描量熱分析儀，德國NETZSCH生產(chǎn);1200mm熱熔預(yù)浸機，國產(chǎn);INSTRON 8801/IN-STRON 5966微控電子萬能試驗機，英斯特朗公司生產(chǎn);Quan-ta200型掃描電子顯微鏡，F(xiàn)EI公司生產(chǎn)。

1.3實驗過程

1.3.1預(yù)浸料制備

預(yù)浸料是制造復(fù)合材料的中間材料，通常用樹脂在一定的條件下浸漬連續(xù)單向纖維或者織物，制成樹脂基體與增強體的組合物。預(yù)浸料可以使用溶液法和熱熔法制備。溶液法為傳統(tǒng)的預(yù)浸料制備方法，所用的樹脂為溶液狀態(tài)，是經(jīng)過采用溶劑進(jìn)行溶解調(diào)配后形成，制備的預(yù)浸料不可避免的含有一定量的揮發(fā)，本實驗不予采用;熱熔法是一種更為先進(jìn)的預(yù)浸料制備方法，不需要任何溶劑。LTC80樹脂在升溫速率為5℃/min的條件下的粘度-溫度曲線如圖1所示，發(fā)現(xiàn)樹脂低粘度的溫度范圍為70～115℃，即該樹脂體系在115℃以下得潛伏性較好，具有較低的粘度，在一定的壓力下能夠較好的浸漬纖維制備預(yù)浸料。

1.3.2復(fù)合材料力學(xué)試驗試樣制備

使用制備好的預(yù)浸料按照[（0/90）]13S的的鋪設(shè)方法，采用熱壓罐法制備力學(xué)性能試驗使用的復(fù)合材料層合板。固化工藝為70℃保溫30分鐘，120℃保溫2小時，得到兩種不同的復(fù)合材料層合板。

1.3.3復(fù)合材料力學(xué)性能檢測

根據(jù)ASTM D 3039/D3039M-14聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)實驗方法。

ASTM D 6641/D 6641M-16使用組合加載壓縮（CLC）試驗夾具測量聚合物基復(fù)合材料層壓板壓縮性能的試驗方法。

ASTM D 2344/D 2344M-16聚合物基復(fù)合材料及其層壓板短梁強度標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。

1.3.4SEM測試

采用Quan-ta200型掃描電子顯微鏡掃描電鏡觀察各種材料的表面形貌和斷口形貌。取部分復(fù)合材料斷裂樣品，用導(dǎo)電膠將其固定在樣品臺上觀察其斷口形貌。

2結(jié)果與討論

2.1復(fù)合材料拉伸性能研究

從圖2可以看出T700碳纖維織物增強復(fù)合材料拉伸強度和拉伸模量相對EWl00A玻璃纖維復(fù)合材料高出很多，平均拉伸強度為1185MPa，平均拉伸模量為65.2GPa;而玻璃纖維織物增強復(fù)合材料平均拉伸強度只有475MPa，平均拉伸模量也只有23.4GPa。

圖3是兩種不同復(fù)合材料不同倍數(shù)下的拉伸斷口的SEM圖，從圖3（a），（b），（d），（e）可以看出EWl00A玻璃纖維復(fù)合材料發(fā)生拉伸破壞時纖維發(fā)生大面積斷裂，斷口處纖維損壞嚴(yán)重，斷口起伏較大，纖維與樹脂嚴(yán)重脫離，而碳纖維復(fù)合材料發(fā)生拉伸破壞時斷口處纖維較為完整，主要是樹脂基體的破壞，且樹脂基體與碳纖維未發(fā)生較為嚴(yán)重的脫離現(xiàn)象，這說明T700碳纖維的力學(xué)性能>EWl00A玻璃纖維的力學(xué)性能;這就不難解釋了700碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玻璃纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2.2復(fù)合材料壓縮性能研究

從圖4可以看出T700碳纖維織物增強復(fù)合材料壓縮強度和壓縮模量明顯優(yōu)于玻璃纖維織物增強復(fù)合材料，平均壓縮強度達(dá)到了580MPa，平均壓縮模量為58.6GPa;而玻璃纖維增強復(fù)合材料平均壓縮強度只有384MPa，平均壓縮模量也只有25.1GPa。

圖5是兩種復(fù)合材料的壓縮斷裂后的SEM圖，在壓應(yīng)力的作用下玻璃纖維發(fā)生“折斷”，纖維也與樹脂基體嚴(yán)重脫粘，發(fā)生粉碎性破壞;而T700碳纖維復(fù)合材料的斷口較為平整，纖維與樹脂并未受到嚴(yán)重破壞，這也說明了玻璃纖維的強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于T700碳纖維的強度，導(dǎo)致兩種復(fù)合材料的壓縮性能的迥異。

2.3復(fù)合材料層間剪切強度研究

短梁法層間剪切實驗是將試樣放置于兩個支撐圓棒上，上面在壓一個圓棒，試樣在載荷的作用下發(fā)生彎曲變形，最后的破壞主要是由層間結(jié)合失效所引起的層間剪切破壞，強度主要受限制于纖維與基體的界面結(jié)合強度以及樹脂基體自身的力學(xué)性能。

由樹脂基從圖6可以看出兩種纖維增強復(fù)合材料的層間剪切性能相差無幾，平均都在65MPa左右，這是因為作為復(fù)合材料中的主要承載相，纖維的性能決定著復(fù)合材料的拉伸壓縮等力學(xué)性能，而層間力學(xué)性能則主要受限制于纖維與基體的界面結(jié)合強度以及樹脂基體自身的力學(xué)性能。圖4是兩種材料的層間剪斷口SEM圖，從圖7（a），（b）可以看出兩種材料在外力的作用下都發(fā)生了分層現(xiàn)象，從圖7（c），（d）可以發(fā)現(xiàn)兩種纖維與樹脂的結(jié)合能力也相差不大，均與樹脂粘連良好，所以而且的層間剪切性能相差不大。

3結(jié)論

通過實驗得知T700碳纖維對樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能增強效果更加明顯，其中拉伸強度和拉伸模量平均達(dá)到1185MPa和65.2GPa;壓縮強度和壓縮模量平均達(dá)到580MPa和58.6GPa;而兩種復(fù)合材料的層間剪切性能相差不大都在65MPa左右。通過微觀形貌觀察分析，可以得出T700碳纖維的力學(xué)性能優(yōu)于EWl00A玻璃纖維，二者與樹脂的結(jié)合能力相差不大。綜上所述，在選擇挖補修理用預(yù)浸料時，優(yōu)先選用T700碳纖維增強環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料。