玻纤协同增强环氧树脂复合材料力学性能研究.pdf

38碳纤／玻纤协同增强环氧树脂复合材料力学性能研究2012年9月碳纤／玻纤协同增强环氧树脂复合材料力学性能研究张乔胤+，张鹏，程永奇，孙友松(广东工业大学材料与能源学院，广州510006)摘要：为了开发耐层结构重载摩擦副用纤维增强聚合物复合材料，并对采用机械混合、模压成型制备的碳纤／玻纤织物增强环氧树脂复合材料力学牲能进行了研究，还利用扫描电镜对其断裂形貌进行了分析。结果表明，基体材料冲击强度和抗压强度分别为20．46kJ・m。2和80．5MP，添加碳纤／玻纤织物强化后，其冲击强度最高可达45．30kJ・m～，抗压强度最高可达417．8MP；当碳纤与玻纤比例由100：0减少到60：40时，冲击强度由45．30kJ・m。2减少到38．54kJ・m～，抗压强度由417．8MP减少到320．6MP。关键词：环氧树脂；碳纤织物；玻纤织物；力学性能．中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003—0999{2012)05—0038—04重载摩擦副是机械装备中关键部件之一，广泛应用于锻压机械，塑料机械，冶金机械等设备上。在这些设备中，摩擦副存在制造成本高、承载能力较低、摩擦系数大等问题，所以近年来以高强度的金属为基体，以自润滑材料为衬层的金属背衬型自润滑材料结构得到迅速发展，该种结构具有高承载能力和优良的减摩耐磨性能，为解决新型重载高效摩擦副的研究问题带来希望¨“J。在目前所用的自润滑聚合物材料中，环氧树脂(EpoxyResin，EP)高强度、高模量、优良的尺寸稳定性、耐腐蚀性以及良好的粘结性能等优点，得到了快速发展，特别是在体育，航空等领域中得到应用o7|。我国对EP及其改性研究有50多年历史，但EP的生产与应用跟国外的差距还很大，特别是在EP的改性和成型工艺及应用方面亟需提高，例如Y．L，Li，J．Harding和M．E．C．Taylor研究了玻璃纤维织物，碳纤维织物以及碳纤维／玻璃纤维混杂织物增强环氧基三种复合材料的层间拉伸模量有显著的应变率强化效应旧1；GuoYang等在二乙基甲苯二胺／双酚A型环氧树脂体系中添加二元胺固化剂，发现二∽元胺可以提高体系的冲击强度1；ShenJingqiang等通过制备核心粒子改性环氧树脂828，使其剪切强度提高了2．2倍，冲击强度提高了3．3倍¨01。碳纤维织物的强度和弹性模量比较高，但是延性差且造价高，而玻璃纤维织物的强度和弹性模量较低，但是延性好且价格便宜[1卜14]。为了探索碳纤／玻纤织物增强对环氧树脂复合材料力学性能的影响，并考虑到工业化应用成本问题，本文对碳纤／玻纤织物比例对复合材料性能的影响进行了研究，并采用扫描电镜对其断口形貌进行了分析，以便为该种纤维织物增强聚合物复合材料应用提供实验依据。1实验材料与过程1．1主要原材料与样品制备碳纤织物选用日本东丽生产的1K二维碳纤维布，其性能指标如表l所示；玻纤织物选用广东东兴筛网厂生产的玻璃纤维布；环氧树脂选用巴陵石化公司生产的环氧树脂。表11K碳纤维布的性能指标Table11Kcarbonfiberperformanceindicators1．2浇铸体制备将两种环氧树脂与稀释剂，增塑剂，固化剂按照一定比例混合并匀速搅拌，利用真空去除气泡，然后再浇铸到标准试样模具中，在80T：下烘烤2h使其固化成型，制得样品A。收稿日期：2012．10-24本文作者还有董智贤。基金项目：国家自然科学基金(51175088)；顺德区重大科技项目(20100201002)作者简介：张乔胤(1985一)，男，硕士研究生，主要从事聚合物复合材料研究。警霭辫篙懋鏊凝蘩翰§懿淹舔鬣鬣i。；：；¨j‘：；：{¨∞o％％_，÷。Hli2012年第5期玻璃钢／复合材料391．3复合材料的制备事先对CF和GF进行偶联剂KH-550预处理，并且干燥后备用。复合材料以环氧树脂为树脂基体，碳纤维布及玻璃纤维布为增强材料，采用手糊法和模具加压法制备复合材料，分别制得样品B为基体材料+(100％CF)；C为基体材料+(10％GF+90％CF)；D为基体材料+(20％GF+80％CF)；E为基体材料+(30％GF+70％CF)；F为基体材料+(40％GF+60％CV)。2性能测试冲压性能采用承德市开发区德盛检测设备有限公司XJU-22悬臂梁冲击实验机测试，试样尺寸为80×10×4mm；压缩性能采用上海华成测试仪器有限公司提供的微机控制电液伺服万能实验机进行测试，试样尺寸为10×10×lOmm。3结果与讨论3．1冲击性能ABCDEFSamples图1基体材料与其复合材料的冲击性能Fig．1Impactpropeniesofbasematerialanditsmatrixcomposites图1为基体材料和碳纤／玻纤织物增强后复合材料的冲击性能。从图中可以看出，基体材料的冲击强度仅为20．46kJ・m～，添加了CF／GF后，冲击强度得到了明显提高，添加100％CF强化时，冲击强度达45．30kJ・rn～；采用cF与GF协调增强时，随着CF比例的降低，复合材料的冲击强度逐渐降低，由CF：GF为90：10时的42．40kJ・m。2降低到60：40时的38．54kJ・m～。这是因为在增强环氧树脂复合材料中，材料的力学性能不仅受基体材料性能的影响，而且在很大程度上由增强体以及增强体与基体间界面特性所决定¨0|。cF与GF起承载应力作用，而基体起纤维间传递应力的作用。基体材料把CF，GF有效粘接在一起，使应力能够有效传递，同时又因为碳纤织物和玻纤织物的机械性能优良，从而使基体材料的冲击强度有了极大的改善。随着GF含量的增加，复合材料的冲击强度呈降低的趋势，这可能是由于玻璃纤维布本身的强度较低以及与基体材料的结合力差引起的。此外，从图中还可看出，当CF所占比例由100％降低至60％时，复合材料的冲击强度由45．30kJ・rn。2降低至38．54kJ・m～，这表明，虽然玻纤性能比碳纤低很多，但采用两者协同强化时，对复合材料冲击强度影响不大，而玻纤织物的价格则比碳纤织物便宜许多，这为所研发的复合材料工业化应用提供了良好的经济前景。3．2压缩性能基体材料与其复合材料的压缩性能测试结果如下图2所示。AECDEFSamples图2基体材料与其复合材料的压缩性能Fig．2Compresspropertiesofbasematerial由图2可以看出，基体材料的压缩强度最小，仅为80．5MP，添加CF／GF均能使基体材料压缩强度有很大的提高，且当添加增强材料为100％CF时，压缩强度最大，为417．8MP；采用CF与GF协调增强时，随着CF比例的降低，复合材料的压缩强度也随之降低，由CF：GF为90：10时的394．2MP降低至60：40时的320．6MP，这是因为在纤维增强复合材料中，基体树脂通过界面将应力传递给高强度纤维，从’而提高了复合材料的力学性能11I。但由于相比较碳纤维布而言，玻璃纤维布本身的强度较低且与基体的黏结性能不好，当压力超过玻璃纤维布的极限时，压力将不能有效地进行传递，使压力传递失效，不能起到力学补强作用，这种现象容易发生在材料FR影C瓢2012．No．5伽伽姗姗瑚瑚啪姗∞山=，l{莅∞仁。扫u三器曲Jd骞oU船舶辑铊∞弛弘弘弛如勰撕M丝加硌z．目二)I∽毫g鲁_gQ暑40碳纤／玻纤协同增强环氧树脂复合材料力学性能研究2012年9月的弱黏结面，该弱黏结面将会成为裂缝的源头，造成材料的断裂。此外，从图中还可以看出，当CF所占比例由100％降低至60％时，复合材料的压缩强度由417．8MP降低至320．6MP，这同样也表明采用碳纤与玻纤协同强化环氧树脂时，对复合材料的压缩强度影响不大，但名械本上看，玻纤更为便宜一些，这为玻纤的应用提供了一个很好的前景。3．3SEM分析图3CF／EP、GF／EP表面断裂形貌Fig．3SEMphotographsoffracturesurfacesofCF／EP、GWEP图3为复合材料的断裂形貌的SEM图。由图3(a)和图3(b)可以看出，碳纤维的断口比较平整光滑，而玻纤的断口长短不一，有点散乱。从图3(C)和图3(d)可以看出，碳纤与基体材料黏结紧密，而玻纤与基体材料的粘结不如碳纤好。而且玻纤表面树脂很少，这说明玻纤与树脂黏结性能较差。4结论(1)添加CF／GF会使环氧树脂的冲击强度得到提高，当添加100％碳纤时，冲击强度最大，为45．30kJ・m～；当CF：GF从90：10降到60：40时，冲击强度从42．40kJ・m。降到38．54kJ・m～；(2)CF和GF能够协同增强环氧树脂的压缩强度，当添加100％碳纤时，压缩强度最大，为417．8MP。当CF：GF由90：10降低至60：40时，压缩强度由394．2MP降低至320．6MPa。参考文献[1]刘超锋．杨振如．金属基自润滑轴承新材料[J]．轴承，2007。(5)：36-39．[2]z．Z．Zhang，Q．J．Xue，W．M．Liu，eta1．Tribologicalpropertiesofmetal—plasticmulfilayercompositesunderoillubricatedconditions[J]．Wear。1997，(210)：195-203．[3]A．Erdemir．Reviewofengineeredtribologicalinterfacesforim-provedboundarylubrication[J]．TriboiogyInternational，2005，(38)：249-256．[4]R．Rattan，J．Bijwe，M．Fahim．InfluenceofweaveofcarbonfabriconlowamplitudeoscillatingwearperformanceofPolyetberimidecom・pesites[J]．Wear，2007，(262)：727-735．[5]向定汉。潘青林。骆心怡．FIFE编织复合材料重载关节轴承的旋转摩擦特性[J]．复合材料学报，2003，20(6)：125．129．[6]c．Donnet，A．Erdemir．Solidlubricantcoatings：recentdevelopmentsandfuturetrends[J]．TribologyLetters，2004。17(3)：389-397．[7]沈军，谢怀勤．航空用复合材料的研究与应用进展[J]．玻璃钢／复合材料，2006，(5)：48-52．[8]HardingJ，RuizC．Themechanicalbehaviorofcompositematerialsunderimpactloading[J]．In：keyEngineeringMaterialsVols141・143．Switzerland：TransTechpublications．1998：403-426．[9]YangGuo，FuShaoyun，YangJiaoping．Preparationandmechanicalpropertiesofmodifiedepoxyresinswithflexiblediamines[J]．Poly—met，2007，48(1)：302．[10]ShenJingqiang，ZhangYafeng，KuangJianzhneg，eta1．Preparationofcore・shellcompositeparticleswithallacrylatepolyurethanecoreanditsroughingeffeet8forepoxyresins[J]．ChinaSynthRubberInd，2004，27(3)：187．[11]张用兵，史俊虎．王利．混杂复合材料[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1989．[12]李杰，薛元德．FRP管混凝土组合结构试验研究[J]．玻璃钢／复合材料，2004，(6)：7-10．[13]袁华，薛元德．梁中全．混杂FRP管约束混凝土组合梁的研究l：抗弯性能研究[J]．玻璃钢／复合材料，2004，(2)：25-28．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