PBO纤维复合材料的拉伸性能研究

收稿日期 :2003 - 10 - 24
王斌 ,1970 年出生 ,博士研究生 ,主要从事先进高性能复合材料的成型工艺及其界面性能的研究工作
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宇航材料工艺 2004 年 第 2 期
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
5 800
180
3. 0
纤维在储存过程中有一定程度的吸水 (表 1) , 纤维中的水分不仅会降低纤维本身的强度 ,还会影 响纤维与基体的粘合强度 ,从而使复合材料制品的 强度和耐老化性能降低[3] ,所以在使用前应进行烘 干处 理 , 以 除 去 水 分 。与 文 献 [ 8 ] 报 道 值 比 较 , GJB348 —87 测试的拉伸强度和拉伸模量偏低 ,而按 GB3362 —82 测试的与报道值接近 ,纤维断裂延伸率 基本上相差不大 。 高性能 PBO 纤维和 F - 12 芳纶纤维的部分物 理性能比较见表 3 。从表 3 中可见 ,在这两种高性 能有机纤维中 ,线密度 、密度 、单丝直径等各有差别 ,
国内对 PBO 纤维及其复合材料的评述性文章
较多[3～8] ,而对其性能的实验研究很少 ,尤其是未见 到有关 PBO 纤维复合材料应用方面的研究报道[9] 。 因此 ,为了缩短与世界先进水平的差距 ,本文对 PBO 纤维束和复合丝束的拉伸性能进行测试 ,比较验证 了文献报道的数据 ,同时开展了 PBO 纤维复合材料 的探索研究工作 ,测试了其单向拉伸性能 ,探讨了 PBO 纤维在航天领域应用的可能性 。 2 试验 2. 1 原材料
表 3 两种纤维的部分物理性能 Tab. 3 Partial physical properties of two fibers
纤维
线密度 / tex
密度 / g·cm - 3 (25 ℃)
单丝直径 /μm
复丝拉伸强度 / MPa
拉伸模量 / GPa
断裂延伸率 /%
F - 12
597. 4
1. 443
按相关缠绕成型实验工艺将纤维与 RX2 环氧 树脂配方复合 ,制作成单向复合材料试样 ,然后按 GB1458 —88 在 DSS - 1源自文库T - S 电子万能材料试验机 上进行拉伸性能测试 。 3 结果与讨论 3. 1 纤维性能分析
PBO 纤维表观为金黄色 、有光泽 ,束纱表面无明 显毛刺 ;而 F - 12 纤维表观为咖啡黄 ,光泽较暗 ,束 纱表面有些起毛 。
从电镜照片中可以看出 (见图 1) , PBO 纤维呈 现为均匀的棒状圆柱形 ,表面很光滑 ; F - 12 与 PBO 表面形状比较接近 ,表面附有不均匀的斑状物 ,纤维 直径较 PBO 稍大 ,表面虽然光滑却可见很小尺寸的 类似微裂纹的浅沟槽 ,分布不连续也不均匀 。由于 F - 12 纤维表面有类似微裂纹的浅沟槽的存在 ,较 PBO 纤维更能增加与树脂基体的粘接表面积 ,同时 也能起到“钉子”的钉轧效应 ,从而提高纤维与树脂 基体的界面粘接性能 。 据文献 [ 8 ] 报道 , PBO 纤维的密度为 1. 54 g/ cm3 ,吸水率 (最高) 为 2 % ,我们对 PBO 纤维的物理 性能进行了测试 ,其数据见表 1 。
Key words PBO fibre , Unidirectional composite , Tensile property
1 前言 PBO 纤维是一种高结晶度 、低密度 、高的拉伸强
度和模量的新型有机纤维 ,其强度 、弹性模量约为对 位芳纶纤维 Kevlar - 49 的 2 倍 ,尤其是弹性模量 ,它 具有直链高分子纤维的极限弹性模量 ,其纤维增强 树脂基复合材料在应用于主要承受拉伸载荷的宇航 结构复合材料高压容器方面 ,目前已成为研究的一 个热点[1 ,2 ] 。
表 2 PBO 纤维复丝性能 Tab. 2 Tensile properties of PBO complex yarn
数据来源
拉伸强度 / MPa
拉伸模量 / GPa
延伸率 /%
GJB348 —87 实测值
5 350
167
3. 5
GB3362 —82 实测值
5 920
172
3. 4
文献[8 ]报道值
Abstract Tensile properties of PBO fiber yarn , complex bundle and unidirectional composite are examined. Char2 acteristics of fiber surface and tensile fracture are studied by means of SEM and the properties between PBO and F212 fibers are compared. Experimental results show that tensile properties of unidirectional PBO fiber composites have much higher value than that of F212 , 28. 3 % to 55. 4 % higher in tensile strength and about 80 % higher in tensile modulus. Because different complex bundle testing standards are used , tensile strength and modulus differ greatly. SEM photographs indicate that PBO fiber surface is very slippery and may be resulted from poor adhesive to resin. PBO composite tensile damage fracture reveals unique characteristic of peeling of the fiber skin and the fibrillar in the skin torn from the fiber surface .
PBO (AS) 纤维 (东洋纺公司生产) ,F - 12 芳纶纤 维及自制 RX2 环氧树脂配方 。 2. 2 纤维性能测试
纤维吸水率采用 GB1462 (1468) —88 测试 ;密度 采用 GJB348 —87 测试 ;线密度采用 TACT6611. 1 —73 (纺织纤维线密度测试方法) 测试 ;采用 GJB348 —87 标准进行试样制作 ,在日本岛津公司的 DSS - 10T S 电子万能材料试验机上对纤维复丝进行了性能测 试 ;在日本电子公司的 J SM - 5800 型扫描电镜上进 行纤维的表面形貌和复合材料断口观察 。 2. 3 单向复合材料性能测试
数据有一定的差距 ,故在应用研究的工艺设计参数 率低 ,其平均值只有 85. 3 % ,而拉伸模量却高于混
选取时 , 还得靠单向复合材料强力环 (NOL 环) 和 合律计算值 (109 GPa) 。
表 4 单向复合材料的拉伸性能
Tab. 4 Tensile properties of unidirectional PBO fiber composite
维性能相差不多 。但在纤维复合材料应用研究中 , PBO 纤维增强的环氧树脂复合材料的拉伸强度和拉
如高压容器 ,特别是固体火箭发动机壳体工艺成型 伸模量很高 ,分别达到 2 952 MPa 和 136 GPa ,但拉伸
中 ,树脂含量为 (32 ±3) % ,其纤维强度与复丝性能 强度低于混合律计算值 (3 461 MPa) ,纤维强度转化
关键词 PBO 纤维 ,单向复合材料 ,拉伸性能
Tensile Properties of High Performance PBO Fibre Composites
Wang Bin1 Jin Zhihao1 Liu Aihua2 Qiu Zheming2
(1 School of Materials Science Technology & Engineering , Xi’an JiaoTong University ,Xi’an 710049) (2 Shaanxi Institute of No2metallic Material and Technology ,Xi’an 710025)
PBO 纤维复合材料的拉伸性能研究
王 斌1 金志浩1 刘爱华2 丘哲明2
(1 西安交通大学材料学院 ,西安 710049) (2 陕西非金属材料工艺研究所 ,西安 710025)
文 摘 对 PBO 纤维的干纱 、复丝以及单向复合材料的拉伸性能进行实验测试 ,探讨了测试标准对 PBO 复丝性能的影响 ,采用 SEM 观察了 PBO 纤维表面形貌和复合材料拉伸破坏断口特征 ,并与 F - 12 纤维 相应的拉伸性能进行了对比 。结果表明 :PBO 纤维单向复合材料比 F - 12 纤维具有更为杰出的拉伸性能 ,拉 伸强度比 F - 12 高约 28. 3 %～55. 4 %、拉伸模量高约 80 %。PBO 纤维复丝性能因测试标准不同其拉伸强度 和拉伸模量相差较大 。SEM 观察到 PBO 纤维表面极光滑 ,与树脂界面粘结差 ,其复合材料拉伸破坏断口呈 “皮芯”抽离和纤维撕裂破环特征 。
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这与各自的生产厂家的纺丝设备及纺丝工艺有关 , MPa ,比 F - 12 芳纶纤维高出约 24. 4 % ,因此 PBO 纤 不是纤维性能的主要差异 。纤维性能的主要差异是 维的比强度和比模量最大 。可见 , PBO 纤维在航空 纤维的拉伸性能 ,因为这两种纤维的分子结构有些 航天领域的应用具有重要的意义 。 差异 ,PBO 纤维的拉伸强度经实际测试达到了 5 350
试样编号
纤维体积分数 /%
混合律计算值 拉伸强度/ MPa 拉伸模量/ GPa
拉伸强度/ MPa
实验测定值 拉伸模量/ GPa 纤维强度转化率/ %
1
64. 5
3 450
109
2 980
138
86. 4
2
65. 5
3 504
110
3 010
密度 / g·cm - 3
线密度 / tex
束丝纤维 /根
水含量 /%
单丝直径 /μm
1. 556
111
550～700
1. 9
12. 8
由于 PBO 纤维是 20 世纪末开发的一种新型纤 维 ,目前对于它尚未制定出统一的复丝性能测试标 准 ,因 此 根 据 GJB348 —87 和 GB3362 —82 标 准 对 PBO 纤维进行复丝力学性能测试 ,为 PBO 纤维复合 材料应用研究 (如高压容器设计) 提供工艺设计参 数 ,其测试结果见表 2 。
(a) PBO 纤维 1 500 ×
宇航材料工艺 2004 年 第 2 期
(b) F - 12 纤维 1 300 × 图 1 两种纤维的扫描电镜照片 Fig. 1 SEM photographs showing surface morphology
of F212 and PBO fibers 表 1 PBO 纤维的物理性能 Tab. 1 Partial physical properties of PBO fiber
14～16
4 300
125
4. 0
PBO
108
1. 556
12. 8
5 350
167
3. 5
3. 2 单向复合材料拉伸性能
Ф150 mm 试验容器强度的转化率给予校正 ,从而达
根据 GJB348 —87 标准规定 ,树脂含量为 (45 ± 到更为理想状态的设计 。表 4 为单向复合材料的拉
5) % ,所测得复合材料性能基本上与文献[ 8 ]提供纤 伸强度 、模量和纤维强度转化率数据 。实验表明 ,