4、双组分环氧树脂浇注体系的动态压缩性能

双组分环氧树脂浇注体系的动态压缩性能

摘要采用聚芳醚酮树脂（PAEK）粉末为改性剂，制备高性能双组分环氧树脂浇注体系，采用分离式霍普金森压杆实验装置（SHPB）考察了PAEK含量不同的环氧树脂浇注体系的动态压缩行为，获得了不同应变率加载条件下环氧树脂浇注体系的应力-应变曲线，并利用扫描电子显微镜（SEM）对试样的压缩断口形貌进行了观察与分析。结果表明，在3000～5000s-1的应变率范围内加载后，纯环氧树脂和PAEK粉末含量为10phr的试件均破碎，而EP/PAEK-20试样没有破碎；随着PAEK粉末的加入，环氧树脂浇注体系的塑性逐渐增强，其中EP/PAEK-20的抗压缩性能最好。

关键词环氧树脂；压缩；断口形貌

1 前言

环氧树脂是一类性能优良的热固性树脂，具有强度高、模量高、粘接性强、化学稳定性好等良好的综合性能[1, 2]，在化工、电子和航空航天等领域有广阔的应用前景[3, 4]，被认为是目前发展最快且最有前途的一种复合材料基体树脂，引起复合材料界的广泛重视。

但由于纯环氧树脂具有高的交联结构，其固化物的弹性模量较高，冲击韧性低，质脆、易产生裂纹、耐疲劳性和耐热性差等缺点，使其进一步扩大应用受到了限制。为此国内外学者对环氧树脂进行了大量的改性研究工作[5-9]，主要通过物理和化学手段对其进行改性，以改善环氧树脂的综合性能。为不降低环氧树脂的力学性能和热性能而实现增韧，近年来人们又发展了用耐热性高和力学性能良好的热塑性树脂，如聚醚砜（PESU）、聚碳酸酯、聚醚醚酮和聚酰亚胺来增韧环氧树脂。国内外的学者于20世纪80年代开始采用热塑性树脂增韧改性环氧树脂[6]。聚芳基醚酮（PAEK）是耐高温热塑性树脂，它们可以承受250℃的连续使用温度，连续使用温度明显高于传统工程塑料的热塑性树脂，某些类型的PAEK短时间可承受的最高温度达350℃。PAEK在室温下的弹性模量、断裂应力、断裂延伸率和冲击强度达到了与其他热塑性聚合物材料相同的数值，但它在高温下仍能保留良好的机械性能[2]。已有的研究表明[8, 9]，采用PAEK增韧环氧树脂时，双连续相结构的形成有利于韧性的提高。

近年来，大量研究集中在聚合物复合材料的动态性能。M.V. Hosur等[10]使用改良的SHPB 实验装置考察了碳/环氧树脂层状复合材料在高应变率载荷下的动力学性能，结果表明动力强度和硬度取决于应变率和断口量。Montiel和Williams [11]使用滴塔装置研究了AS4石墨/PEEK交叉复合材料层压板的动力学行为。研究表明，应变率为8s-1时，强度增加42%超过静态值，应变失效增加超过25%。Waas 等[12] 考察了不同纤维体积分数的单向玻璃/环氧树脂层板的静态和动态响应，发现动强度和相对应变比静态值高1.7倍，然而，他们得出结论，静态和动态刚度只有边界差异。

本文采用自制分离式霍普金森压杆实验装置考察了PAEK粉末改性环氧树脂浇注体系的动态压缩性能，分析了其不同应变率下的动态压缩力学响应，讨论了PAEK粉末含量对环氧树脂动态压缩行为的影响。

2 实验部分

采用双酚A型环氧树脂（DGEBA，E-54）和四官能团环氧树脂（TGDDM，AG80），分别由

无锡树脂厂和上海合成树脂研究所提供；固化剂为4，4’二胺基二苯酚（DDS），由北京化工厂提供；增韧剂为改性聚芳醚酮树脂（PAEK），由北京航空材料研究院提供。

将E-54和AG80树脂按2：3的比例混合后加热到指定温度，加入PAEK粉末，搅拌至完全溶解透明后加入固化剂DDS，固化剂与E-54树脂的质量比为1：1，PAEK的含量分别为0、10和20 phr。混合均匀后倒入金属模具中，在加热条件下抽真空排除气泡后按180℃/2h+200℃/2h的工艺加热固化。固化后的环氧树脂样品分别记为BE、BE/PAEK-10和BE/PAEK-20。

对环氧树脂浇注体系的冲击断裂表面喷金后，利用日本

HITACHIS-4800型冷场发射扫描电子显微镜（

SEM）对其进行表征，加速电压为5kV。

3 结果与讨论

3.1 环氧树脂浇注体系的动态压缩性能

实测的纯环氧树脂原始波形如图1所

示。可以看出，入射波形状近似为坡形，

幅值随撞击速度的提高而增加，透射波较

小，这是由于纯环氧树脂是一种脆性材料，

其破坏应变很小，这是由材料本身的特性

决定的。

图1纯环氧树脂材料的原始波形图图2为双组分环氧树脂改性体系在不同应变率下的应力应变曲线。可见，纯环氧树脂在破坏前的变形主要是弹性变形，最高点的应力值为其破坏极限，即材料的动态抗压强度。环氧树脂呈现非线性的变形过程，在整个加载过程中，环氧树脂并没有出现明显的屈服点，并且环氧树脂应变率强化效应不明显[图2（a）]。随着应变的增加，EP/PAEK-10材料的压应力先增大，达到最高点后又逐渐减小，相同应变下，应变率为3300s-1时，应力最大[图2（b）]。当应变小于0.012时，相同应变下，应力随着应变率的增加而增加。当应变大于0.012时，相同应变下，应变率为4200s-1时的应力最大[图2（c）]。

图2双组分环氧树脂改性体系在不同应变率下的应力应变曲线

（a）纯BE；（b）BE/PAEK-10；（c）BE/PAEK-20

图3为环氧树脂浇注体系在应变率为

3500 s-1左右时的应力应变曲线。由图可

见，当应变率小于0.03时，相同应变下，

EP/PAEK-10改性材料的压缩应力最小，而

纯环氧树脂的压缩应力最大；当应变率大

于0.04时，EP/PAEK-10改性材料的压缩

应力最大。随着PAEK粉末含量的增加，环

氧树脂改性体系的塑性增强，而屈服强度

稍有下降。

图3 双组分环氧树脂浇注体系在应变率为

3500s-1左右时的应力应变曲线

3.2 断口形貌的扫描电镜分析

图4是双组分环氧树脂改性体系断口形貌的SEM照片。可见，纯双组分环氧树脂的断裂表面有大量的犁沟而且出现了片状脱落物，表明纯双组分环氧树脂的以脆性断裂是主要的失效形式[图4（a）]；当PAEK粉末的含量为10phr时，环氧树脂浇注体系的断裂表面比较粗糙，断口形貌由脆性断裂转为韧性断裂，表面PAEK粉末的加入，提高了基体材料的韧性[图4（b）]。

图4双组分环氧树脂浇注体系断口形貌的SEM照片

4 结论

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）实验装置考察了热塑性树脂PAEK粉末含量不同的环氧树脂浇注体系动态压缩行为，分析了应变率对环氧树脂动态压缩力学性能的影响，研究结果表明：在3000～5000s-1的应变率范围内加载后，纯环氧树脂和PAEK粉末含量为10phr的试件破碎，而EP/PAEK-20试件没有破碎；随着PAEK粉末的加入，环氧树脂改性体系的塑性逐渐增强，其中EP/PAEK-20的抗压缩性能最好。

参考文献

[1]J. R. Fried. Polymer Science and technology [M]. 1995, 4: 255-256, 272-275, 327-330.

[2]陈祥宝主编.聚合物基复合材料手册，第7章：树脂基体性能[M].北京：化学工业出版社，9，pp105-121，2004.

3[]P. Chen, S. P. Liu. Epoxy Resins [M]. Chemical Industry Press, Beijing, 1997.

[4]ASM Handbook [M], ASM International, Materials Park, USA, 18, 1992.

[5]Guang Shi, Ming Qiu Zhang, Min Zhi Rong, Bernd Wetzel, Klaus Friedrich. Friction and wear of low nanometer

Si3N4 filled epoxy composites [J]. Wear, 2003, 254:784-796.

[6]卫朋，艾静，王青松.环氧树脂的增韧改性研究进展[J].材料导报，2011，25（18）：394-397.

[7]张明，安学峰，唐邦铭，益小苏.增韧环氧树脂相结构[J].复合材料学报，2007，24（2）：13-17.

[8]黄汉生.多用途的热塑性塑料-聚芳基醚酮[J].化工新型材料，1990，12：34-36.

[9]张明，李旭东，安学锋，益小苏.聚芳醚酮增韧环氧体系相结构的冲击韧性及模拟计算研究[J].热固性树脂，2012，

27（2）：1-5.

[10]M.V. Hosur, J. Alexander, U. K. Vaidya, S. Jeelani. High strain rate compression response of