玻璃纤维增强环氧树脂单向复合材料的研究

第33卷　第8期　1999年8月

西　安　交　通　大　学　学　报

JOURNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSITY

　Vol.33　№8

Aug.1999

玻璃纤维增强环氧树脂单向复合材料的研究

韦　玮

,程光旭,张东山

(西安交通大学,710049,西安)

摘要:采用连续玻璃纤维与环氧树脂相复合,通过单向缠绕成型工艺,制备出具有良好力学性能的单向复合材料板.研究了复合材料的成型工艺及配方组成对单向复合材料力学性能的影响,结果表明:采用成型工艺方法和配方组成的复合材料的拉伸强度为1114GPa、弯曲强度为2718MPa、冲击强度为3147MPa;同时利用扫描电镜对复合材料的界面进行了分析.

关键词:玻璃纤维;环氧树脂;单向增强;复合材料

中国图书资料分类法分类号:TQ633.13

Investigation of U nidirectional G lass Fiber R einforced

Epoxy R esin Composite

Wei Wei,Cheng Guangx u,Zhang Dongshan

(Xi′an Jiaotong University,Xi′an710049,China)

单向纤维增强复合材料的偏轴疲劳损伤,是当前国内外疲劳问题研究中的一个热点和难点.从近期国际复合材料疲劳问题研究的动态来看,将现代连续介质的力学、材料力学和微观断裂力学结合起来,研究材料的微观结构特性与宏观力学性能之间的关系,具有广阔的研究前景[1,2].为了获得偏轴疲劳损伤实验研究所需的各种取向的纤维增强复合材料,论文采用连续玻璃纤维与环氧树脂复合,通过单向缠绕成型工艺,制备出单向复合材料板.并对单向复合材料的缠绕成型工艺、配方组成的选择以及影响单向复合材料力学性能的因素进行了细致的研究,并利用扫描电子显微镜对复合材料的界面进行了分析.1　实　验

1.1　主要原料

环氧树脂FΟ44,由无锡树脂厂生产;单丝直径为15μm的玻璃纤维,由南京化玻院生产;4,4Ο二氨基Ο二苯甲烷(DDM)、4,4Ο二氨基Ο二苯砜(DDS),由上海试剂三厂生产.

1.2　环氧胶的配制

在预先称量好的环氧树脂FΟ44中加入适量的溶剂、固化剂、促进剂和其它添加剂,在85℃下搅拌1h,即得到所需的环氧胶料.

1.3　单向复合纤维板的制作工艺

连续玻璃纤维缠绕增强环氧树脂的成型工艺对复合材料及制件的性能影响很大.为了使复合材料

收稿日期:1998Ο09Ο28.作者简介:韦　玮,女,1960年8月生,化学工程学院高分子材料系,副教授.基金项目:西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室科研基金资助项目.

的结构与性能在制品中能够充分发挥作用,必须选择合适的工艺方法[3].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,制作过程如图1所示

.

图1　单向纤维板制作过程

2　

结果与讨论

2

.1　固化剂和选择

选择了两种活性不同的固化剂4,4Ο二氨基Ο二

苯甲烷(DDM )和4,4Ο二氨基Ο二苯砜(DDS ),与环氧树脂同时进行交联反应.由分子结构式可知,DDM 的活性大于DDS 的活性,因此,当二者的比例不同时,交联反应的速度和程度不同,单向复合板的力学性能也有很大的差别.图2是DDM/DDS 两种固化剂在不同比例时与单向复合板拉伸强度的关系.可以看出,随着DDM/DDS 比例的增大,复合材料的拉伸强度出现先增大后减小的现象,在w DDM /w DDS 的摩尔比值为3∶1处出现极大值.

二者比值过大或过小都将导致复合材料的拉伸强度下降.

图2　w DDM /w DDS 与拉伸强度的关系

2.2　固化剂的用量

固化剂的用量对复合材料拉伸强度的影响见图3.由图3曲线可知,材料的拉伸强度随着固化剂用

量的变化而发生改变.当固化剂/树脂的质量分数(w c /w r )为

28/100时,其拉伸强度达到最大值.这是由于当固化剂用量较少时,环氧树脂未能完全交联.随着固化剂用量的增加,环氧树脂交联反应趋向完全,当用量达到某一值时,交联反应刚好完成,材料的力学性能也最好.但随着固化剂用量的进一步

增加,除了交联反应所必需消耗的固化剂外,体系中还残留有部分固化剂,在复合材料中形成缺陷,导致力学性能下降.

图3　w c /w r 对拉伸强度的影响

2.3　环氧树脂浸胶量

树脂的浸胶量对复合材料的力学性能影响很大.当浸胶量较低时,环氧树脂不能与玻璃纤维表面很好的浸润、粘结,以起到传递载荷的作用.同时,由于玻璃纤维受力不均匀,使得复合材料力学性能降低.当树脂的含量过高时,由于玻璃纤维的用量减少,使得承受载荷的纤维根数减少,并且过多的环氧树脂聚集起来,容易在材料中形成气泡和缺陷.只有当环氧树脂的含量达到某一范围时,才能与玻璃纤维不仅具有良好的粘结性,而且可以充分发挥环氧树脂传递载荷的作用.图4是环氧树脂的质量分数

w b 与材料拉伸强度的关系.通过以上研究和正交

设计,所制备的单向层合板的力学性能测试结果见表1.

图4　w b 与材料拉伸强度的关系

表1　玻纤强环氧单向复合材料的力学性能

拉伸强度/GPa 1.14弯曲强度/MPa 27.8冲击强度/MPa 3.47断裂伸长率/% 3.70密度/g ・cm -3

1.92

9

01第8期 韦　玮,等:玻璃纤维增强环氧树脂单向复合材料的研究

3　结　论

采用连续玻璃纤维与环氧树脂、固化剂和其它添加助剂复合制备单向增强复合材料板,其力学性能与原料的组成、配比和成型工艺有很大的关系.实验结果表明:在固定缠绕工艺条件下,当环氧树脂FΟ44为100份,DDM/DDS为28份,w b=40%,且当预固化和后固化温度分别为120℃和160℃,固化时间分别为2h和3h,固化压力为5MPa时,单向复合材料板的力学性能最佳.参考文献:

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[3]　李龙.纤维增强塑料加工技术动力.化工新型材料,

1995,(10):37.

(编辑　管咏梅)

(上接第107页)

性模型相差不大,因此需要提出一个能充分考虑冲击射流特点的紊流模型.

参考文献:

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[4]　陶文铨.数值传热学.西安:西安交通大学出版社,

1988.

(编辑　赵大良)

(上接第87页)

这里常数k∈(0,1).根据迭代式(11)及不等式(13),用类似于定理1的证明方法,我们得

‖x n+1-q‖≤[1-k

4

(1-k)αn]・

‖x n-q‖+2(‖u n‖+‖v n‖)(14)

因此,由引理1便知{x n}强收敛于q.若对所有n≥0有αn=d,在式(14)中用d取代αn然后逐次递推便得式(12).证毕.

类似于定理2,我们有定理4.

定理4　设K、T如定理3,对于序列{u n}、

{v n}有lim

n→∞u n=lim

n→∞

v n=0,非负实数列{αn}、{βn}

满足:

(i)　存在c∈(0,1)使

0

4L(L+4-k)

(ii)　0≤βn≤k

4L(1+L)

则Πx0∈K,由迭代式(11)生成的序列{x n}强收敛于T的唯一不动点q.

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(编辑　杜秀杰)

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