玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料各项性能的研究

玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料各项性能的研究

齐齐哈尔大学

摘要：玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差，并不适于作为结构用材，但若抽成丝后，则其强度大为增加且具有柔软性，配合树脂赋予其形状以后可以成为优良之结构用材。本文将对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的的研究现状及研究方向进行分析，为新的研究方向探索道路。

关键词：玻璃纤维环氧树脂复合材料研究现状研究方向

1、前言

玻璃纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强，疲劳性能、耐久性能和电绝缘性能好等特点，在各个领域都有着广泛的应用，用玻璃纤维和环氧树脂可以制造层合制品，是一类性能优良的绝缘材料，广泛用于电力、电器、电子等领域，玻璃纤维增强树脂基复合材料由于具有高比强度、比模量，而且耐疲劳、耐腐蚀。最早用于飞机、火箭等，近年来在民用方面发展也很迅猛，在舰船、建筑和体育器械等领域得到应用，并且用量不断增加。其中，环氧树脂是先进复合材料中应用最广泛的树脂体系，它适用于多种成型工艺，可配制成不同配方，调节粘度范围大，以便适应不同的生产工艺。它的贮存寿命长，固化时不释放挥发物，同化收缩率低，固化后的制品具有极佳的尺寸稳定性、良好的耐热、耐湿性能和高的绝缘性，因此，环氧树脂“统治”着高性能复合材料的市场

目前，复合材料输电杆塔已在欧美和日本得到应用，其中以美国的研究开发和应用最为成熟。我国在20世纪50年代对复合材料电杆进行过研究，鉴于当时材料性能和制造工艺的限制，复合材料电杆未能得到推广使用。近年来，随着复合材料技术的飞速发展和传统输电杆塔的缺陷逐步显露，电力行业开始重视复合材料杆塔的应用研究。

随着电网建设的快速发展，出现了全国联网、西电东送、南北互供的建设格局，输电线路工程口益增多，对钢材的需求越来越大，消耗了大量的矿产资源和能源，在一定程度上加剧了生态环境破坏。并且，线路杆塔采用全钢制结构，存在质量大、施工运输和运行维护困难等问题。因此，采用新型环保材料取代钢材建造输电杆塔得到了输电行业的关注。玻璃纤维增强树脂基复合材料，具有高强轻质、耐腐蚀、耐久性能和电绝缘性好、易维护、温度适应性强、性能可设计、环境友好等特点，成为输电杆塔结构理想的材料。日益受到围内外电力行业的关注。目前，纤维增强复合材料输电杆塔由于其优良的综合性能已在日本和欧美地区得到应用，其中美国的研究开发和应用较为成熟，已制定了相关的产业标准，美国土木工程师学会已制定了输电杆塔中FRP产品的应用标准。

在输电杆塔中推广应用复合材料不仅能减少对矿产资源的破坏、保护环境，而且易于解决输电线路的风偏和污闪事故，提高线路安全运行水平；同时减小塔头尺寸，降低线路的维护成本。

2、低温性能研究

2、1单向复合材料板的制作

首先，取一定数量加热的环氧树脂，然后，加入增韧剂和稀释剂，在65℃

下搅拌l h后，冷却至室温，再缓慢加入固化剂。加入固化剂时，需边加入边搅拌。当固化剂与环氧树脂充分混合后，进行十燥并降至室温呈粉状填料，与树脂均匀混合，得到环氧树脂胶。为使复合材料的结构与性能在制品中充分发挥作用，必须选择合适的工艺方法HJ。根据实验条件，采用手工缠绕成型法，通过浸胶、缠绕和固化等工序制备单向增强复合材料。材料成型工艺参数为：120℃／2 h+160℃／4h。利用WD一100B型微机控制电子万能试验机检测试样相关力学性能。

2、2实验结果与分析

（1）复合材料的常温力学性能

用电子万能试验机对玻璃纤维含量不同的复合材料进行弹性模量、纵向和横向拉伸强度和压缩强度检测，研究发现玻璃纤维增强环氧树脂单向复合材料力学性能随着纤维含量增加而增强，当纤维含量较少时，复合材料的性能增加幅度不大，但当纤维含量达到50％时，复合材料获得较好的综合力学性能，这是因为当纤维数目较少时，其承担的应力也相对较少，并且由于纤维的加入，切断了原来连续的基体，在树脂中形成一定数日的缺陷，不利于弹性模量的增加。当纤维增加到一定程度并均匀地分布在树脂基体中，纤维较好地承担起受力作用。由于纤维和基体界面结合，纤维的变形受到基体的限制，而纤维也阻止基体的变形，从而使复合材料获得很好的强化。但当纤维含量过多时，部分纤维不能被树脂充分浸润，从而在材料中形成许多结合较弱的界面，当材料受力时，这些界面容易脱附拔出，应力传递失效，性能下降。S玻璃纤维的综合力学性能均高于E玻璃纤维，尤其是纵向力学性能明显高于E玻璃纤维复合材料。是因为纤维增强复合材料纵向力学性能直接取决于增强纤维，故采用高强度S玻璃纤维增强的单向层合板的纵向拉伸、压缩强度高于E玻璃增强的单向层合板。而纤维增强复合材料的横向(垂直纤维方向)力学性能直接取决于树脂基体的性能』j，凶此，复合材料在横向上的强度比纵向低很多，拉伸强度为MPa级。

（2）复合材料的低温力学性能

由复合材料的常温力学性能试验可知，当玻璃纤维体积含量为50％时，该材料的性能较好，故对含50％玻璃纤维的复合材料在4K、76K的力学性能作进一步检测并与室温(298K)的力学性能进行比较。可以看出，随着温度的降低，复合材料的纵向拉伸强度和纵向压缩强度均呈增加趋势。拉伸性能方面，当温度降到76K时材料的强度值最高，S玻纤／环氧复合材料的拉伸强度最高值可达2．1GPa、E玻纤／环氧复合材料的最大拉伸强度为1．4GPa。压缩性能方面，S玻纤和E 玻纤／环氧复合材料均随温度降低而升高，虽然S玻纤／环氧复合材料的压

缩强度更高，但随温度的降低，E玻纤／环氧复合材料的压缩强度值增加更显著一些。

分析其主要原因，是由于纤维、树脂基体在复合过程中所形成界面的粘接强度直接影响复合材料的力学性能。界面粘接作用形成的方式包括：共价键、比较弱的范德瓦耳斯键以及界面摩擦力，而纤维和基体之间的粘接性和摩擦力则依赖于材料表面浸润性和横向挤压力作用。随着温度的下降，纤维、树脂收缩不同会影响界面摩擦力和粘接性连接作用的大小，从而影响界面的粘接强度。低温下玻璃纤维的横向收缩比树脂基体小，界面摩擦力得到增强，所以，低温下玻璃纤维增强复合材料能获得高的界面粘接强度，从而使玻璃纤／环氧复合材料的低温力学性能得到明显提高。可见，把对纤维进行表面处理来提高复合材料界面强度，作为提高复合材料综合力学性能的重要手段。