不同固化溫度對碳纖維/雙馬復合材料力學性能及耐熱性能的影響

Abstract：A T8OO carbon fiber/bismaleimide resin prepreg with athicknessof 0.1 mm was domesticall prepared employinghot-melt impregnating process，basedonwhichthe2mmthickunidirectional composites wererespectivelyobtained under the curing temperatures of 230 C and 280 C . The mechanical property and heat resistance of the materialswere studied.The results evidenced that the curing degree of the materials were over 93% under both curing temperatures，and the glass transition temperature of the composite cured under 280 C was 90‰ higher than that under 230‰ . In addition， the retention rates of bending strength and interlayer shear strength were both higher than 65% at the temperature of ， exhibiting excellent high-temperature mechanical behavior of the composites.

Keywords：bismaleimide resin；curing temperature；heat resistance；composites；mechanical behavior

1引言

雙馬來酰亞胺（BMI）樹脂固化物具有很好的耐熱性，其聚合物的初始分解溫度一般在 300% 以上，快速分解溫度一般比初始分解溫度高 200^qC 左右，含有酰胺鍵BMI樹脂的快速分解溫度也比初始熱分解溫度高 150^qC 以上，可見其耐熱性相當高。BMI樹脂的工作溫度為 ，短期使用溫度可達 250^°C～300^°C ，耐高溫性能方面比環氧樹脂優越得多[1-6]。BMI樹脂的耐高溫性能與其分子結構有關，因其分子中都含有酰亞胺環，除脂肪族外，都含有芳環結構，有的還含有稠環結構，這些剛性結構存在于BMI分子主鏈中是其耐高溫的根本原因[7-12]

為了使BMI樹脂固化物能充分反映出本身應有的性能，樹脂體系不但要有最佳的組分比例，還必須要有合理的固化制度，即確定溫度和時間兩個匹配條件，使樹脂各組分間能夠充分交聯反應，形成交聯密度很高的體型結構聚合物，以保證宏觀的力學性能[13-17]。本研究主要采用國產T800 碳纖維和雙馬來酰亞胺樹脂體系，通過熱熔預浸工藝制備了預浸料，探討不同固化溫度對復合材料玻璃化轉變溫度及力學性能影響

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

雙馬來酰亞胺樹脂體系，自制；國產碳纖維T800（12K），江蘇恒神股份有限公司。

主要實驗儀器：萬能材料試驗機，In-stron5500R ，美國Instron公司；差示掃描量熱儀（DSC），Pyris6型；動態熱機械儀，DMA8000型，美國PerkinElmer; 300mm 幅寬熱熔預浸機；行星攪拌機，DMS－XJB-5L，湖南麥克斯捏合設備有限公司。

2.2 國產T800/BMI預浸料的制備

將BMI樹脂體系置于 75±3C 的熔膠架上，設定涂膜機熱輥溫度為 75±3^°C ，冷卻板溫度為 12± 3°C ，涂膜速度為 ，樹脂膠膜面密度為 29±2g/m² 。

將國產T800碳纖維引入上述雙面樹脂膠膜中，控制預浸機熱輥溫度在 70±3C ，浸漬壓力為0.4±0.2MPa ，冷卻溫度為 ，出料速度控制

，碳纖維預浸料厚度控制在 0.1± 0.01mm ，制備國產T800/BMI樹脂預浸料

2.3國產T800/BMI復合材料單向板的制備

將國產T800/BMI樹脂預浸料通過剪裁、鋪放、固化得到雙馬來酰亞胺樹脂復合材料單向板，固化制度分別為 130^°C/2h+180^°C/2h+230^°C/3h （稱230^qC 固化）和 +280‰ （稱 280‰ 固化），升溫速率為 1～ 2^°C/mim 。

2.4國產T800/BMI預浸料及復合材料性能測試

2.4.1 BMI樹脂體系反應放熱

反應熱測試參照GB/T19466.2？2004《塑料差示掃描量熱法（DSC）第2部分：玻璃化轉變溫度的測定》執行，升溫速率分別為： 5C/min 、10‰ ，測試條件為 N₂ 氣氛，范圍為 25°C～400°C 。

2.4.2 國產T800/BMI預浸料物理性能測定

預浸料面密度測定參照GB/T32788.6《預浸料性能試驗方法第6部分：單位面積質量的測定》執行，纖維體積含量測定參照GB/T32788.5《預浸料性能試驗方法第5部分：樹脂含量的測定》執行，凝膠時間測定參照GB/T32788.1《預浸料性能試驗方法第1部分：凝膠時間的測定》執行，揮發物含量測定參照GB/T32788.3《預浸料性能試驗方法第3部分：揮發物含量的測定》執行，粘性測定參照HB7736.8《復合材料預浸料物理性能試驗方法第8部分：粘性的測定》執行。

2.4.3 國產T800/BMI復合材料耐熱性能測試

復合材料玻璃化轉變溫度（ T_g ）的測定參照GB/T40396《聚合物基復合材料玻璃化轉變溫度試驗方法動態力學分析法（DMA）》執行。

2.4.4國產T800/BMI復合材料力學性能測試

復合材料彎曲強度測定參照 GB/T3356 《定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗方法》執行，層間剪切強度測定參照JC/T773《纖維增強塑料短梁法測定層間剪切強度》執行。

3 結果與討論

3.1BMI樹脂體系固化溫度的確定

雙馬來酰亞胺單體結構中， C=C 雙鍵受鄰位兩個羰基吸電子作用而成為貧電子鍵，因而易與含活潑氫的化合物進行加成反應，也可以同含不飽和雙鍵的化合物及其他結構的雙馬來酰亞胺進行共聚反應，同時也能在催化劑和熱的作用下發生自聚反應，雙馬來酰亞胺樹脂體系膠液在 5°C/min 、 升溫速率下的反應放熱曲線如圖1所示。

圖1BMI樹脂體系不同升溫速率下反應放熱曲線

由圖1可以看出，BMI樹脂體系在 、10^qC/min 、 20^qC/min 的升溫速率下的反應放熱峰，起始反應溫度 （T_i） ）、峰值溫度 （T_p） 、反應結束溫度（ T_f ）及反應熱數據如表1所示。

表1BMI樹脂體系在不同升溫速率下反應參數

由表1可以看出，隨著升溫速率的提高，樹脂的起始反應溫度 （T_i） 、峰值溫度（ 、反應結束溫度（ T_f^? ）呈上升趨勢，利用 β 外推法及結合樹脂體系實際固化工藝試驗，確定了樹脂體系的固化制度分別為 130%×/2h+180%×2h+230%×/3h 和130C/2h+180C/2h+230C/3h+280C/2h ，升溫速率為 1～2‰ ，經測試驗證復合材料固化度大于 93% ，能夠滿足復合材料制品對固化度的要求。

3.2 國產T800/BMI預浸料的性能

采用自制BMI樹脂體系，利用熱熔預浸工藝制備了厚度為 0.1mm 的國產 T800 BMI樹脂預浸料，并對預浸料物理性能指標包括碳纖維體積含量、單位面積質量、揮發物含量、凝膠時間、粘性進行了表征，結果如表2所示。

表2國產T800/BMI樹脂預浸料性能指標

由表2可以看出，制備的厚度為 0.1mm 的國產T800/BMI樹脂預浸料揮發物含量較低，單位面積質量及纖維體積含量達到了設計值要求，粘度等級滿足預浸料鋪放要求，為滿足后續制備復合材料單向板及理化性能指標奠定了基礎。

3.3 國產T800/BMI復合材料耐熱性能

采用固化制度分別為 和 h+280ΩC/2h 制備了兩種復合材料單向板，0.1mm 國產T800/BMI樹脂預浸料鋪層為22層，對2mm 厚單向板進行了切割，制備了標準的 50mm （長） ×8mm （寬） ×2mm （厚）試件。采用動態力學分析法分別對制備的復合材料玻璃化轉變溫度進行了測試（DMA法），測試結果如圖2所示。

圖2BMI單向板復合材料動態力學分析曲線圖

由圖2（a）可以看出，固化溫度為 230^qC 時復合材料玻璃化轉變溫度為 253°C （Tanδ峰值），由圖2（b）可以看出，固化溫度為 280^°C 時復合材料玻璃化轉變溫度為 343°C （Tanδ峰值）， 280^qC 固化復合材料較 230^°C 固化復合材料玻璃化轉變溫度提高了 90^qC ，說明在一定范圍內提高固化溫度，對于提高BMI樹脂復合材料玻璃化轉變溫度效果顯著。

3.4國產T800/BMI復合材料力學性能

為了考察國產T800/BMI樹脂復合材料的力學性能，采用固化溫度分別為 230‰ 和 280^qC 厚度為2mm 的復合材料單向板按標準制備了力學試件和理化試件，測試了復合材料常溫及高溫彎曲性能和剪切性能，如表3所示。

表3復合材料單向板彎曲強度

表3為國產 T800/BMI 樹脂復合材料在不同固化溫度下的彎曲強度測試值及保留率，由表3可以看出，在 230‰ 固化溫度條件下，復合材料常溫彎曲強度要高于 280‰ 固化，但高溫彎曲強度值（ 200^qC 、 220‰ 、 240‰ ）， 280‰ 固化溫度下的復合材料要明顯高于 230‰ 固化，且 280% 固化溫度下，高溫彎曲強度保留率要明顯大于同等測試條件下 230‰ 固化復合材料強度保留率。 280‰ 固化溫度下，復合材料 240° 彎曲強度達到了1300.85MPa ，且強度保留率大于 65% ，進一步說明了復合材料在 280^qC 固化溫度下具有優異的耐熱性能。

表4為國產 T800/BMI 樹脂復合材料在 230‰ 和 280^qC 固化溫度下的層間剪切強度測試值及保留率。

表4復合材料單向板層間剪切強度

表4可以看出， 230‰ 固化溫度條件下，復合材料常溫層間剪切強度要高于 280^cC 固化溫度下的常溫層間剪切強度，但高溫層間剪切強度值（200C 、 220^qC 、 240‰ ）， 280‰ 固化溫度下的復合材料要明顯高于 230% 固化的復合材料，且 280^°C 固化溫度下，復合材料 240° 下層間剪切強度為44.68MPa ，且保留率大于 65% ，說明在 240° 下，國產T800纖維與BMI樹脂間界面匹配性能優異，復合材料具有優異的耐熱性能。

3.5國產T800/BM復合材料理化性能

為了進一步反應復合材料的基本性能，對復合材料理化性能指標進行測試，主要包括纖維體積含量、含膠量、固化度、密度、孔隙率，測試結果如表5所示。

表5不同固化溫度復合材料理化性能

由表5可以看出，在兩種不同固化溫度下，復合材料的理化性能指標滿足設計值要求，固化度都大于 93% ，但在 280^°C 固化溫度下，固化度達到了 95.98% ，說明樹脂在 280^qC 下進一步發生了交聯反應，這也與復合材料高溫力學性能優異相匹配。

4結語

（1）采用熱熔預浸工藝制備了厚度為 0.1mm的國產T800/BMI樹脂預浸料，預浸料各項性能指標達到設計值要求，且粘性級別能夠滿足鋪放要求；

（2）確定了樹脂體系的兩種固化制度，在兩種固化制度下，復合材料的固化度達到 93% 以上，能夠滿足復合材料制品對固化度的要求；

（3）最高 280^qC 固化溫度下，復合材料高溫彎曲強度和層間剪切強度性能更加優異， 240‰ 下的彎曲強度和層間剪切強度保留率均大于 65% 。

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