环氧树脂基复合材料增强及防老化性能研究

环氧树脂基复合材料增强及防老化性能研究针对树脂基复合材料容易发生老化和在交变应力场合下表面易产生微裂纹,导致材料性能的劣化,缩短使用寿命的问题,本论文以环氧树脂为研究对象,选取铝粉为增强材料,制备了铝粉增强的环氧树脂复合材料,利用铝粉的第二相增强作用以提高复合材料的力学性能;利用裂纹遇到铝粉会产生应力发散的现象,阻碍已萌生的微裂纹的继续扩展;利用金属铝对水分子的屏蔽作用,增强复合材料对水分子的阻隔性、降低树脂内部羟基对水分子的吸收性;利用铝粉遇水或空气氧化发生体积膨胀的功能,填补微裂纹的空穴,堵塞裂纹形成的水扩散通道,减缓水的扩散和湿热老化;通过铝对紫外光的高反射性,减少树脂基体对环境中紫外线的吸收率,使环氧树脂复合材料同时具备耐湿热老化和抗紫外老化的性能;并对铝粉/环氧树脂复合材料的界面进行改性,进一步提高其综合性能,使树脂不易产生微裂纹,制备出一种强度高、耐湿热老化和紫外老化的新型环氧树脂复合材料。本论文首先在氩气保护下用电弧喷涂的方法制备出表面含氧量较低的铝粉,将制备出的铝粉添加至环氧树脂中探索铝粉对环氧树脂力学性能、耐湿热老化和抗紫外老化性能的影响。

在铝粉可同时提高复合材料力学性能和老化性能的基础上,改变颗粒尺寸和形状,探讨了铝粉形貌对复合材料性能的影响。再对铝进行表面处理,进一步提高铝粉/环氧树脂复合材料的性能,最后结合试验中树脂基难以现场评价的问题,提出了电阻法评价树脂老化程度的方法。

本论文通过研究得出以下结论:(1)在环氧树脂中添加电弧喷涂铝粉可有效提高复合材料对冲击力的吸收能力,铝粉颗粒对冲击力有发散作用,并改变冲击力的方向,使其表面在低能量冲击下难以形成贯穿型的长裂纹,提高了环氧树脂

表面抗裂纹扩展的能力和力学性能。当铝粉的添加量为6 wt.%时,复合材料的力学性能最佳,拉伸强度和弯曲强度达到最大值,分别为45.1MPa和94.6MPa,磨损率及平均摩擦系数则达到最低值,分别为7.52x1 0-13m3N-1m-1和0.314。

其次环氧树脂中加入电弧喷涂铝粉也提高了复合材料对环境中水分子的阻隔性,使水分子在复合材料中的扩散系数和树脂的饱和吸水率降低,并使复合材料在湿热老化后的力学性能损失率降低,其中添加6 wt.%电弧喷涂铝粉复合材料的耐湿热老化性能最佳,老化后的拉伸和弯曲强度损失率最低,分别为9.3%和9.6%,与纯环氧树脂材料相比分别降低了49.2%、43.5%。铝粉还对紫外光有反射作用,可有效提高复合材料抗紫外老化性能,老化后复合材料的黄变值和强度损失率随铝粉添加量的增加逐渐减小,当电弧喷涂铝粉的添加量为10 wt.%时,复合材料的拉伸和弯曲强度的损失率最小,分别为7.9%和9.2%。

与纯环氧树脂材料相比分别降低了64.1%、65.4%。(2)采用尺寸更小的球状铝粉和片状铝粉增强环氧树脂后,复合材料的力学性能、耐湿热老化性和抗紫外老化性均明显优于自制较大粒径的电弧喷涂铝粉增强的环氧树脂复合材料。

球状铝粉改性后的力学性能增强效果优于片状铝粉,在球状铝粉添加量为

6wt.%时,拉伸强度和弯曲强度分别达到64.5 MPa和177.1 MPa;磨损性能磨损率降至4.71 × 10-13m3·N-1·m-1,平均摩擦系数为0.338。片状铝粉的改性后复合材料的耐湿热老化性能要优于球状铝粉,片状铝粉添加量为3 wt.%时扩散系数和饱和吸水率最小分别为1.98× 10-6m2/s和3.29%,老化后的拉伸强度和弯曲强度损失率分别为6.3%和9.0%,分别比纯环氧树脂降低了65.6%和47.1%,此时的磨损率为8.03× 10-13m3·N-1·m-1。

片状铝粉改性后的抗紫外老化性能也要优于球状铝粉,紫外光照100天后添

加4 wt.%片状铝粉的复合材料黄变值从纯环氧树脂的+24.7降至+1.13,老化后的拉伸强度和弯曲强度损失率分别为6.0%和8.6%,磨损率为1.11×

10-12m3·N1·m-1。(3)环氧树脂损伤后,其饱和吸水率增大,扩散系数增大,利用疲劳冲击法对环氧树脂进行损伤,损伤面积为试样的0.1%,其环氧树脂的吸水率提高了41.2%,添加铝粉后,制备的铝/环氧树脂复合材料损伤后饱和吸水率基本不变,仅是到达饱和吸水率的时间比未损伤的短,添加球状铝粉的复合材料扩散系数比未损伤时提高了37.2%,添加片状铝粉时仅提高了28.8%。

铝粉的体积膨胀可以有效的填补损伤裂纹处的缝隙,相同质量的铝粉,片状比球状铝粉比表面积大,氧化后体积增加多,填补效果好,使其对损伤的环氧树脂材料扩散系数影响小。通过计算得出铝粉粒径为1 μm时,氧化后体积膨胀率约为3%,故制备出的复合材料只能对纳米级的微裂纹起到弥合作用,对较大的裂纹无弥合作用。

(4)选取硅烷、钛酸酯和铝酸酯三种偶联剂对铝与环氧树脂间的界面进行增强,其中硅烷偶联剂的改性效果最佳界面剪切强度为13.94MPa,铝酸酯偶联剂改性后的界面剪切强度为10.12MPa,分别比未改性时的界面强度7.55MPa提高了84.6%和34.0%;钛酸酯偶联剂对环氧树脂与铝粉界面没有改性效果。改性后的界面耐湿热老化性较差,老化后的界面强度发生明显降低分别为5.77 MPa、5.59MPa 和5.61MPa;改性后的复合材料界面抗紫外性差,紫外老化后的剪切强度均大幅度降低,分别为2.81 MPa、2.71 MPa和2.78 MPa。

(5)碳纤维的导电性不会受到水分子的影响。由碳纤维制成的板材横向电阻值会随着板材吸水量的增加而增加,且成对数关系,拟合后的电阻率与环氧树脂吸水率方程为y=4.59log10x-6.11,拟合系数为0.97。

因此在线测量碳纤维的电阻率就可以测量出环氧树脂材料的吸水率,这不仅可以测量环氧树脂的扩散系数,也可以在线评估环氧树脂材料的湿热老化程度。