成型壓力對(duì)PES樹脂材料力學(xué)性能的影響

崔亞男

摘要：為進(jìn)一步提高PES樹脂材料的性能，采用試驗(yàn)的方式，以拉伸強(qiáng)度和拉伸模量作為測試指標(biāo)，以T700碳纖維作為織物原材料，與PES樹脂間隔放置，并在不同真空壓力下對(duì)PES樹脂材料進(jìn)行定型。結(jié)果表明，當(dāng)真空壓力在0.25MPa的時(shí)候，得到的改性PES樹脂材料其拉伸性能和拉伸模量最佳。

關(guān)鍵詞：成型壓力;PES樹脂;拉伸強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TQ327.3;TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）01-0054-04

在復(fù)合材料中，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料憑借器獨(dú)特的性能，被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的船舶、航天、汽車等多個(gè)領(lǐng)域。特別是該復(fù)合材料在強(qiáng)度、耐腐蝕、抗疲勞和成型快等優(yōu)異性能，更是受到業(yè)界的關(guān)注。但是這種復(fù)合材料高昂的制造成本，在應(yīng)用中受到諸多限制。因此，如何降低纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的成本，成為目前該復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)。真空輔助成型（vARTM）作為一種專門的低成本復(fù)合材料制備工藝，其主要使用低粘度的樹脂，然后在真空壓力梯度下進(jìn)行浸潤干態(tài)預(yù)制體織物，同時(shí)在溫度控制下得到制備的復(fù)合材料。但真空輔助成型（VARTM）在制備過程中，存在孔隙率高、力學(xué)性能差，以及纖維體積分?jǐn)?shù)不高的問題，進(jìn)而嚴(yán)重阻礙了這種高性能復(fù)合材料的應(yīng)用。同時(shí)在研究中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料構(gòu)件的形狀復(fù)雜，干態(tài)織物通常很難直接形成復(fù)雜曲面。為解決該問題，工程上通常將環(huán)氧樹脂膠噴涂在織物的表面，進(jìn)而讓樹脂定型。這種方法操作簡單，且定型劑與浸潤樹脂能良好匹配，但是在選擇定型劑中通常會(huì)出現(xiàn)脆弱性較大的問題，進(jìn)而在織物的表面會(huì)形成不均勻的分布規(guī)則，進(jìn)而影響到最終的復(fù)合材料性能。因此，基于真空輔助成型工藝中暴露出的復(fù)合材料性能問題，提出將聚醚砜薄膜置于織物層間，并在一定的壓力和溫度下對(duì)材料進(jìn)行改性，然后通過VARTM工藝得到經(jīng)過改性后的復(fù)合材料，最后通過實(shí)驗(yàn)性能驗(yàn)證的方式驗(yàn)證上述制備工藝的可行性。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

1）織物采用T700碳纖維。該織物纖維單層厚度為0.31mm，面密度為460g/m²，由山東威海光威復(fù)合材料公司生產(chǎn);

2）熱塑性薄膜選經(jīng)改性后的聚醚砜材料，由上海高爾熱熔膠公司生產(chǎn)，單層厚度0.05mm，面密度30g/m²，熔點(diǎn)為125—135°C;

3）樹脂由雙酚A型基體和固化劑按照3：1的比例混合，在80℃/1h+130℃/2h的條件下進(jìn)行固化。同時(shí)為提高樹脂的浸潤性能，將樹脂放置在45%的水中進(jìn)行水浴，以降低樹脂整體的黏度，黏度大小為0.06Pa‰

1.2制備方法

本實(shí)驗(yàn)制備方法如圖1所示。首先將纖維織物裁剪成需要加工大小的尺寸，然后將PES薄膜也裁剪為上述織物大小的形狀;其次，將上述裁剪得到的PES薄膜與同樣大小的纖維織物間隔放置起來，以確保PES薄膜預(yù)制體的上下都為纖維織物;將上述疊放好的預(yù)制體通過真空袋裝方法進(jìn)行封裝，并將封裝好的預(yù)制體放置在130℃的環(huán)境下進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為30min。此時(shí)PES薄膜與織物層熔融，從而定型;最后，分別設(shè)置3組不同的壓力，分別為0.1MPa，0.3MPa和0.6MPa。同時(shí)為驗(yàn)證性能，設(shè)置1組對(duì)照組。在以上3組不同壓強(qiáng)下制備得到改性的預(yù)制體，通過VARTM工藝得到復(fù)合材料，并通過拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)制備的復(fù)合材料性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3測試方法

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方式，將制備的復(fù)合材料通過圖2的方式進(jìn)行試驗(yàn)。其中，實(shí)驗(yàn)組預(yù)制體由6層纖維織物和5層PES薄膜在一定的壓力和溫度環(huán)境下制得，對(duì)照組則為不添加PES薄膜，進(jìn)而對(duì)比上述兩組實(shí)驗(yàn)制備的復(fù)合材料拉伸性能。同時(shí)為驗(yàn)證不同環(huán)境下復(fù)合材料性能，在A組實(shí)驗(yàn)制備中又將制備環(huán)境設(shè)置為表1所示。

在試驗(yàn)過程中，將不含PES薄膜的預(yù)制體計(jì)作A，而將含PES薄膜的，分為3組不同壓力條件下制備得到不同的復(fù)合材料。

2結(jié)果

根據(jù)上述的方法，制備得到四組經(jīng)過不同制備條件的PES復(fù)合材料，并通過拉伸強(qiáng)度測試得到如下的結(jié)果。

2.1復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果

拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果如圖3所示。圖3（a）表示未經(jīng)過改性得到的復(fù)合材料測試結(jié)果;圖3（b）-圖3（d）表示分別在0.1MPa，0.3MPa和0.6MPa環(huán)境下得到的改性復(fù)合材料的測試結(jié)果。根據(jù)圖3的結(jié)果看出，應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線圖呈現(xiàn)出線性變化的特點(diǎn)。

2.2SEM結(jié)構(gòu)觀察

2.2.1水平方向微觀結(jié)構(gòu)圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證制備材料的性能，通過SEM微觀觀察的方式，觀察改性前后復(fù)合材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化，具體結(jié)果如圖4、圖5所示。根據(jù)結(jié)果看出，在改性后，纖維表面變得粗糙，說明纖維和樹脂之間結(jié)合良好。

根據(jù)圖4（a）的觀察結(jié)果看出，在經(jīng)過拉伸后形成的樹脂，沒有經(jīng)過改性的復(fù)合材料在斷口出出現(xiàn)明顯的斷裂;而經(jīng)過改性的復(fù)合材料，如圖4（a）～（d），經(jīng)過改性后的材料在斷口出表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂的特征。而對(duì)比不同壓力下斷口的結(jié)構(gòu)看出，復(fù)合材料在0.3MPa下，斷口結(jié)構(gòu)明顯，說明在該環(huán)境壓力下得到的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度最佳。

2.2.2垂直方向微觀結(jié)構(gòu)圖

垂直方向微觀結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

根據(jù)上述的結(jié)果看出，與改性前的PES樹脂材料拉伸強(qiáng)度相比，經(jīng)過改性后的復(fù)合材料在垂直平面的結(jié)果來看變得更加粗糙，PES樹脂與織物更為緊密結(jié)合。同時(shí)當(dāng)壓強(qiáng)在0.3MPa時(shí)，垂直結(jié)構(gòu)端口更加明顯。

3結(jié)語

通過上述的研究看出，改性后的PES樹脂復(fù)合材料性能與定型壓力有很大的關(guān)系。一方面，在織物中加入PES薄膜，可有效改善整體樹脂的拉升強(qiáng)度;另一方面，在真空壓力在0.3MPa的情況下，得到的樹脂拉伸強(qiáng)度最優(yōu)。