劉丹丹

(長江大學機械工程學院,湖北 荊州 434023)

PBO纖維在高溫、高壓和嚴酷化學環(huán)境下具有卓越的穩(wěn)定性,耐燒蝕性能優(yōu)異,殘?zhí)柯矢?因而可作為絕熱層候選材料。酚醛樹脂是一種具有良好燒蝕性能的復合材料樹脂基體[1]。為制備先進的樹脂基復合材料——PBO纖維/酚醛樹脂復合材料,在試驗階段,需要對PBO纖維/酚醛樹脂復合材料進行力學性能的測試,如何得到測試樣條,如何對其進行切割加工,保證有理想的切口質(zhì)量,是一個有待解決的技術(shù)問題。由于PBO纖維具有比芳綸更高的比強度和比模量,因此本試驗所制備的PBO纖維/酚醛樹脂單向復合材料與傳統(tǒng)的單向復合材料的性能顯著不同,用一般的機械切割方法根本無法實現(xiàn)樣品的裁切。曾試圖用激光切割、火焰切割、等離子切割等,但發(fā)現(xiàn)切割后復合材料表面燒焦變黑,嚴重影響后續(xù)各種測試。因此必須應用另一種特種加工技術(shù)——水射流切割技術(shù)。水射流切割技術(shù)的發(fā)展來源于“水滴石穿”。水滴石穿是微小的沖量對時間的積分。高壓水射流切割利用增壓器將水加壓,水獲得壓力能,再從細小的噴嘴噴射而出,將壓力能轉(zhuǎn)換為動能,從而形成高速射流。利用這種高速射流的動能對工件的沖擊破壞作用,達到切斷的目的[2]。有研究者研究了切割工藝對切割斷面質(zhì)量的影響[3],這些研究主要集中在金屬材料、陶瓷、大理石等無機材料[4～6]。研究者提到水射流切割技術(shù)可應用于復合材料的切割[7～8],但其切割質(zhì)量如何還未見報道。本文主要研究對纖維增強樹脂基復合材料進行水射流切割時,材料的性能和切割方向?qū)η懈顢嗝尜|(zhì)量的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

日本某公司的PBO纖維(ZYLON AS),丙酮(分析純),改性酚醛樹脂;德國某公司的偶聯(lián)劑(A-187);甲苯(分析純)。

1.2 PBO纖維的表面處理

將PBO纖維用無水乙醇浸泡24 h后用蒸餾水充分清洗,干燥備用(該纖維稱為纖維A)。以甲苯為溶劑,配置一定濃度的偶聯(lián)劑A-187溶液。將纖維A放在偶聯(lián)劑中浸泡一定的時間后取出,置于烘箱烘干后,放入HD-1B型等離子儀中,控制一定的處理時間、功率和氣壓,用氧氣低溫等離子體對其表面進行改性,改性后的纖維稱為纖維B。

1.3 PBO纖維/酚醛樹脂復合材料的制備

首先將酚醛樹脂和無水乙醇以1∶1的質(zhì)量比在室溫下充分攪拌制成樹脂溶液。將PBO纖維單層單向地纏繞在纏繞機上,然后涂覆酚醛樹脂溶液,控制一定的樹脂含量,在室溫下干燥24 h制得預浸料,然后將預浸料單向逐層疊放。置于模具后放置在平板硫化機中分段固化。120℃固化80min,130℃固化40min,160℃固化35min,最后在15MPa,170℃固化90min。保壓冷卻至室溫,取出樣品備用。

1.4 試樣的切割

所需試樣尺寸為20mm×6mm×2.2mm。利用AUTOCAD繪制出合理的排樣圖,采用磨料水射流切割技術(shù)對不同的單向復合材料板進行切割。水的噴口直徑為0.3mm,水速為100mm/min,水壓為300MPa。

1.5 單向復合材料力學性能測試

單向復合材料的層間剪切強度參照JC/T773-1996標準進行測試。將試樣放于萬能材料試驗機(Sintech 2/DL)上進行層間剪切強度的測試。試樣跨距10mm,加載速度1mm/min。

1.6 復合材料表面的親水性

利用液滴形狀法測定單向復合材料表面與水的靜態(tài)接觸角。液滴大小用微量注射器控制在1 μ l左右。所用儀器為德國某公司的靜態(tài)表面接觸角測定儀OCA15。

1.7 纖維及單向復合材料微觀形貌的分析

將PBO纖維及其單向復合材料噴金處理,用德國的 LEO VP1530型掃描電子顯微鏡進行觀測。測試電壓:10 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 水切割方向?qū)嗝尜|(zhì)量的影響

PBO纖維/酚醛樹脂單向復合材料在制備過程中是單向疊放,在切割過程中沿不同方向切割后,用肉眼觀察發(fā)現(xiàn)其截面質(zhì)量明顯不同。以纖維A/酚醛樹脂復合材料為例,探討水切割方向?qū)嗝尜|(zhì)量的影響,圖1a是平行于纖維方向進行切割后,將其截面放大25倍,發(fā)現(xiàn)上面有很多細小纖維。而垂直于纖維方向進行切割時,其截面基本無毛刺,即使放大到500倍也看不到纖維毛刺。由此可得出,沿著平行于纖維方向切割,其斷面效果較差,這可能是由于PBO纖維表面光滑,與酚醛樹脂的結(jié)合較差,所以沿著平行于纖維的方向切割時,與樹脂結(jié)合差的纖維在水切割力的作用下,形成大量細小纖維脫離原復合材料的現(xiàn)象。

圖1 纖維A/酚醛樹脂復合材料斷面SEM

2.2 PBO纖維/酚醛樹脂復合材料的性能

纖維A/酚醛樹脂復合材料的層間剪切強度為21.2MPa,纖維經(jīng)改性后所制備的單向復合材料的層間剪切強度有很大的提高,可達34.5MPa。

圖2為PBO纖維/酚醛樹脂復合材料表面親水性。改性前PBO纖維所制備的復合材料與水的接觸角大于90°,達到102°,經(jīng)改性后其親水性明顯增強,與水的接觸角約為75°。纖維復合材料表面的親水性主要與纖維和樹脂的性質(zhì)有關(guān),各樣品的纖維和樹脂的種類以及含量均相同,其親水性的差異由纖維的表面性能所決定。復合材料的表面親水性與組成該復合材料的纖維的潤濕性一致。由此可判斷出纖維B的潤濕性能更好。

圖2 PBO纖維/酚醛樹脂復合材料表面親水性

2.3 PBO纖維/酚醛樹脂復合材料的性能對斷面質(zhì)量的影響

前面已探討了纖維A/酚醛樹脂復合材料和纖維B/酚醛樹脂復合材料層間剪切強度和表面親水性的差異,本節(jié)進一步探討復合材料的性能對斷面質(zhì)量的影響。

(1)復合材料的性能對垂直于纖維方向切割斷面的影響

圖3是垂直于纖維方向切割后斷面的微觀形貌,圖3a、3c、3e是纖維A/酚醛樹脂切割后斷面不同放大倍數(shù)的微觀形貌。圖3b、3d、3f是纖維 B/酚醛樹脂切割后斷面不同放大倍數(shù)的微觀形貌。從圖中可看出,經(jīng)水切割后截面相對較平整,放大500倍,兩者的差異很小。將倍數(shù)放大到2000和5000倍后,才可明顯地看出其差異。纖維表面的潤濕性越差,其斷面質(zhì)量越差,纖維與樹脂間的浸潤性差導致其層間剪切強度差,從而影響產(chǎn)品最終的斷面質(zhì)量。

(2)復合材料的性能對平行于纖維方向切割斷面的影響

圖4是平行于纖維方向切割后經(jīng)層間剪切測試試驗后斷面的微觀形貌,圖4a、4c是纖維A/酚醛樹脂的斷面不同放大倍數(shù)的微觀形貌。圖4b、4d是纖維B/酚醛樹脂的斷面不同放大倍數(shù)的微觀形貌。層間剪切樣品的厚度是2mm,放大25倍后,厚度方向的切割效果在觀測范圍之內(nèi),從整體上來看纖維B/酚醛樹脂的截面質(zhì)量較好,毛刺相對較少。進一步將其放大到500倍,可發(fā)現(xiàn)從微觀上也可看出,其斷面質(zhì)量的差異明顯,經(jīng)改性后,纖維B/酚醛樹脂的層間剪切強度高,纖維的浸潤性好,其斷面質(zhì)量好。

3 結(jié)論

利用磨料水射流對纖維增強樹脂基復合材料時,當沿著垂直于纖維的方向進行切割其斷面質(zhì)量較好。復合材料中的樹脂基體和纖維之間的相容性好,則斷面的質(zhì)量好。磨料水射流在纖維增強樹脂基復合材料中的應用以及如何提高斷面的質(zhì)量還有待進一步的研究。

[1] 劉丹丹.PBO纖維的低溫等離子體表面改性及其先進復合材料的制備[D].廣州:華南理工大學,2007.

[2] 陶彬.高壓水射流加工理論與技術(shù)基礎(chǔ)研究[D].大連:大連理工大學,2003.

[3] 楊桂林.磨料水射流切割斷面質(zhì)量控制的研究[D].成都:西華大學,2006.

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[5] 李湘洲,楊軍.高壓水射切割陶瓷新工藝[J].現(xiàn)代陶瓷技術(shù),2005(2):33-35.

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[7] 董慶華.控高壓水射流切割機的研究與設(shè)計[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2007.

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