高性能有机纤维增强复合材料的界面性能研究

高性能有机纤维增强复合材料的界面性能

研究

201001130606

高同舜

高性能有机纤维增强复合材料的界面性能研究

摘要：为了改善超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维、芳纶纤维增强树脂基复合材

料的界面粘结性能，本文从树脂基体入手，依据相似相容原理和纤维的结构特点开发出两种新型热固性树脂—PCH 树脂和AFR 树脂，分别用作UHMWPE 纤维复合材料和芳纶复合材料的基体，以未经表面处理的纤维作增强材料，采用热压成型法制备了UHMWPE 纤维/PCH 和芳纶/AFR 复合材料，并通过测定接触角、层间剪切强度(ILSS)、横向拉伸强度和扫描电镜观察形貌等方法研究了复合材料

的界面粘结性能。结果表明：UHMWPE 纤维和PCH 树脂浇注体的溶度参数相近，PCH 树脂溶液在UHMWPE 纤维表面的接触角为15.6°，说明对其具有良

好的浸润性；UHMWPE/PCH 复合材料的ILSS 和单丝拔出强度分别为42.6MPa 和21.8MPa，均远大于UHMWPE/环氧树脂(EP)复合材料的相应强度，扫描电镜分析也表明UHMWPE 纤维增强PCH树脂基复合材料具有优异的界面粘结性能。AFR 树脂溶液与芳纶纤维的接触角为42.8°，而EP 与芳纶的接触角为68°，说明AFR 树脂对芳纶的润湿性优于EP；芳纶/AFR 复合材料的ILSS、横向拉伸强度和纵向拉伸强度分别为74.6MPa、25.3MPa、2256 MPa，比芳纶/EP 复合材料的相应强度分别提高了28.7%、32.5%和13.4%，其复合材料破坏面的形貌也

说明芳纶与AFR 树脂之间的界面粘结性能较好。

Abstract:In order to improve the interfacial adhesion of UHMWPE fiber and aramid fiber reinforced polymer matrix composites, two

new thermosetting resin systems (PCH and AFR) have been developed according to law of similar mutual solubility and the structural characteristics of fibers. The adhesion properties of UHMWPE fiber/PCH and aramid /AFR composites were investigated by the methods of the contact angle, interlaminar shear strength, transverse tensile strength and scanning electron croscopy etc. Test results show that a strong interaction occurs between

fibers and the matrix due to the structural and polar similarity. In the case of slight ifference between solubility parameters of UHMWPE fiber and cured PCH resin, it is found that the wettability of PCH resin on surface of the fiber can be improved and UHMWPE /PCH composite has excellent transverse tensile strength, interlaminar shear strength and the pull-out strength together with the outstanding interfacial bond property. The contact angle (42.8 °) between AFR resin and aramid fiber is smaller than the contact angle (68°) between the epoxy resin (EP) and aramid fibers. Therefore, the AFR resin had better wettability with the aramid fibers. The nterlaminar shear strength, transverse tensile strength and longitudinal tensile trength of aramid/AFR composite are respectively 74.6 MPa, 25.3MPa and 2256 MPa, increasing by 28.7%, 32.5% and 13.4% respectively compared with aramid fibers/EP composite. According to the SEM photograph of aramid fibers/AFR composite, AFR resin had good interface bonding performance with aramid fibers .

关键词：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维芳纶纤维复合材料界面粘结性Keywords: UHMWPE fiber; aramid fiber; composites; interfacial adhesion

1引言

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维和芳纶等有机纤维以其高比模量、高比强度、低密度、耐冲击等优异性能在航空航天、军事等多个领域得到了应用，但由于其结构导致的纤维表面呈现出较大的化学惰性，纤维与树脂的界面结合能较低，粘附性及浸润性很差，两相界面粘结不理想，而载荷又都是通过界面来进行应力传递的，导致复合材料的层间剪切强度低，影响了复合材料综合性能的发挥，限制了它在复合材料中的广泛应用。

因此，针对提高UHMWPE纤维和芳纶增强复合材料界面性能的研究是国内外材料界研究的热点，是纤维增强复合材料应用中迫切需要解决的关键科技问题之一。最常使用的技术手段是对纤维的表面进行处理以提高纤维与基体之间的界面粘结强度。常用于有机纤维表面改性的方法主要包括等离子体处理、化学试剂处理、辐射引发表面接枝处理、电晕放电处理等。纤维经过处理后有的表面粗糙度发生了变化，有的则被引入了活性基团，有的表面引入一层涂层等，其最终作用都是使纤维表面能发生变化，改善纤维与基体树脂之间的粘结性能。国内外研究的有机纤维表面处理方法很多，但真正实际应用的很少。因为不管是化学改性还是物理改性都存在处理工艺复杂、连续在线处理困难、会对纤维表面结构造成一定程度的损伤、有三废等问题。批量连续在线处理和易于实现工业化特点的处理方法是今后表面改性技术研究和发展的主要方向。为改变这一情况，我们的研究思路是从树脂基体入手，依据相似相容原理和纤维的结构特点开发出两种具有良好浸润性的新型热固性树脂—PCH树脂和AFR树脂，分别用作UHMWPE纤维复合材料和芳纶复合材料的基体，以未经表面处理的纤维作增强材料，采用热压成型法制备了性能优异的UHMWPE纤维/PCH[1,2]和芳纶/AFR复合材料[3]，并从树脂溶液与纤维的接触角、单向复合材料的层间剪切强度、横向和纵向拉伸性能、破坏断面形貌等方面来评价树脂与纤维之间的界面粘结性能。

2实验部分

2.1实验原料

UHMWPE 纤维，荷兰DSM 公司；芳纶纤维（进口）；PCH 树脂、AFR 树脂，

自制；E-51 环氧树脂（EP），上海树脂厂有限公司；苯乙烯、丙酮，上海凌峰化学试剂有限公司。

2.2单向纤维复合材料层压板的制备

首先将计量好的树脂及各种助剂依次加入，制得树脂胶液；将制备好的树脂胶液浇入模具中，经固化后得到树脂浇注体。用环向缠绕法制备单向纤维预浸料，按所需尺寸裁剪铺叠后置于模具中，再放入液压机内按照确定的工艺条件热压成型，即可得到单向复合材料层压板；然后按相关标准切割制样。

2.3 性能测试

(1)PCH 树脂浇注体溶度参数的测定

本实验采用平衡溶胀法测定PCH树脂浇注体的溶度参数(δ)。使用正庚烷和苯乙烯制备溶胀剂，其溶度参数值分别为15.14(J/cm