劉燕峰， 包建文， 李艷亮， 益小蘇

（北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

為減少污染、保護(hù)環(huán)境，同時(shí)為應(yīng)對(duì)日益逼近的能源危機(jī)和資源約束，植物纖維及其復(fù)合材料日益成為人們的研究熱點(diǎn)。植物纖維主要包括苧麻、亞麻、劍麻、大麻和木纖維等，與合成纖維相比，具有輕質(zhì)、無(wú)毒、低成本、高的比強(qiáng)度和比模量及可生物降解特性［1～8］。其中，苧麻纖維在中國(guó)來(lái)源廣泛，被稱作“中國(guó)草”，其力學(xué)性能較為優(yōu)異，拉伸強(qiáng)度為400～938 MPa，拉伸模量為61.4～128.0GPa。因此，科學(xué)工作者廣泛開(kāi)展了苧麻纖維織物增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料性能的研究［8～13］。植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料根據(jù)基體樹(shù)脂的種類，通常需在室溫～200℃的范圍內(nèi)進(jìn)行加工，而植物纖維是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠等成分組成，這些成分隨溫度升高而逐漸氧化降解，從而導(dǎo)致纖維力學(xué)性能下降，但固化溫度對(duì)植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究很少報(bào)道［14］。

本工作首先研究了固化溫度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂力學(xué)性能的影響;固化溫度對(duì)苧麻纖維絲束力學(xué)性能的影響，然后研究了固化溫度對(duì)單向苧麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，同時(shí)也對(duì)比研究了單向苧麻纖維和單向玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

苧麻纖維紗線由江西井竹麻業(yè)有限公司提供。環(huán)氧樹(shù)脂牌號(hào)為3233，北京航空材料研究院制。玻璃纖維為高強(qiáng)度玻璃纖維無(wú)捻粗紗EC-960A，由中材科技股份有限公司提供。

1.2 測(cè)試儀器及條件

示差掃描量熱儀（DSC）為Terkin-Elmer DSC-7，升溫速率為20℃/min。熱失重分析儀（TGA）為Perkin-Elmer TGA-2，升溫速率為20℃/min。

樹(shù)脂板材和復(fù)合材料的力學(xué)性能在Instron Model試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試。復(fù)合材料的拉伸試樣尺寸為250mm×15mm，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D3039。彎曲試樣尺寸為80mm×12.5mm，跨距為厚度16倍，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D790。復(fù)合材料的壓縮試樣尺寸為140mm×12mm，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D6641。復(fù)合材料的剪切試樣尺寸為30mm×6mm，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D2344，跨距為厚度4倍和5倍。樹(shù)脂的拉伸性能測(cè)試按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D638，試樣為啞鈴型，彎曲性能測(cè)試按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D790，跨距為厚度16倍。

1.3 環(huán)氧樹(shù)脂板材的制備

為了能有效地抑制樹(shù)脂中的氣泡，采用模壓工藝制備環(huán)氧樹(shù)脂板材，將樹(shù)脂鋪放入模具中，然后加熱到100℃，停留一定時(shí)間，待樹(shù)脂出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象時(shí)，開(kāi)始加壓，最大壓力為10 MPa，升溫到特定的溫度固化2h，后逐漸降溫到50℃時(shí)，釋放壓力，得到環(huán)氧樹(shù)脂板材。

1.4 復(fù)合材料的制備

采用模壓工藝制備復(fù)合材料，將預(yù)浸料鋪放入模具中，然后加熱到80℃時(shí)，開(kāi)始加壓，最大壓力為3 MPa，升溫到特定的溫度固化2h，后逐漸降溫到50℃時(shí)，釋放壓力，得到復(fù)合材料層合板。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹(shù)脂和苧麻纖維的熱性能

圖1為環(huán)氧樹(shù)脂3233的DSC曲線，升溫速率為20℃/min。120～200℃寬的吸熱峰是由于環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)放熱所致，峰值溫度為142℃。圖2為環(huán)氧樹(shù)脂 3233的 DMA曲線，升溫速率為5℃/min。從損耗角正切曲線可以看出，樹(shù)脂分別在120℃，140℃和180℃下固化2h后，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度依次為146℃，151℃和161℃，可見(jiàn)隨著固化溫度的升高，環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)密度逐漸增大，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高。苧麻纖維的熱失重曲線如圖3所示，當(dāng)溫度升到200℃時(shí)，失重約為8%，主要為纖維表面吸附水的揮發(fā);當(dāng)溫度繼續(xù)升高到200℃以上時(shí)，失重非常明顯，主要為纖維中高分子化合物的分解。當(dāng)溫度升到780℃，重量殘留量約為8%，主要是殘留的苧麻纖維灰分，成分為無(wú)機(jī)鹽或無(wú)機(jī)氧化物。

圖1 環(huán)氧樹(shù)脂的DSC曲線Fig.1 The DSC curve of epoxy resin as a function of temperature

2.2 固化溫度環(huán)氧樹(shù)脂力學(xué)性能的影響

表1為環(huán)氧樹(shù)脂的力學(xué)性能，樹(shù)脂分別在120℃，140℃ 和 180℃固化 2h，“3233-120”表示復(fù)合材料的固化溫度為120℃。從表中可見(jiàn)，三種固化溫度下，樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度最大為51.0 MPa，最小為49.5 MPa;拉伸模量最大為2.63 GPa，最小為2.58 GPa;彎曲強(qiáng)度最大為 96.5 MPa，最小為94.0 MPa，彎曲模量最大為2.14 GPa，最小為2.00 GPa。結(jié)果表明，三種固化溫度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基體的拉伸性能和彎曲性能影響不明顯。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂的力學(xué)性能Table 1 The mechanical properties of epoxy resin

2.3 溫度對(duì)苧麻纖維拉伸性能的影響

苧麻纖維不同于合成纖維，其單絲力學(xué)性能本身離散性較大，因此很難研究固化溫度對(duì)單絲力學(xué)性能的影響。苧麻纖維絲束是通過(guò)數(shù)十根纖維單絲加捻而成，統(tǒng)計(jì)原理得知，其絲束的力學(xué)性能離散性較單絲小。因此，本工作參照碳纖維拉伸性能測(cè)試方法［15］，先用少量樹(shù)脂浸漬碳纖維絲束，然后測(cè)試固化后纖維絲束的拉伸性能，由于苧麻纖維的拉伸強(qiáng)度，尤其是拉伸模量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于樹(shù)脂基體的拉伸性能，忽略樹(shù)脂對(duì)力學(xué)性能的影響，得到的數(shù)據(jù)即為苧麻纖維的拉伸強(qiáng)度和模量，其測(cè)試裝置如圖4所示。但是測(cè)試結(jié)果是苧麻纖維絲束拉伸性能離散性依然較大，不能真實(shí)地反應(yīng)固化溫度對(duì)苧麻纖維力學(xué)性能的影響，所以工作并沒(méi)有列出具體的數(shù)據(jù)。

圖4 苧麻纖維力學(xué)測(cè)試試樣Fig.4 The specimen for mechanical test of Ramie fiber

2.4 固化溫度對(duì)苧麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

表2列出單向苧麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，苧麻纖維的體積含量約為60%。uRamie-3233-120表示復(fù)合材料的固化溫度為120℃。復(fù)合材料uRamie-3233-120和 uRamie-3233-140拉伸強(qiáng)度較大，分別為 270.3 MPa和 263.9 MPa，而 uRamie-3233-180的拉伸強(qiáng)度較小，為239.7 MPa。復(fù)合材料uRamie-3233-120和uRamie-3233-140的彎曲強(qiáng)度分別為336.2 MPa和328.1 MPa，而uRamie-3233-180的彎曲強(qiáng)度較小，為219.2 MPa。復(fù)合材料uRamie-3233-120和uRamie-3233-140的壓縮強(qiáng)度分別為150.4 MPa和157.8 MPa，而 uRamie-3233-180的彎曲強(qiáng)度較小，其值為108.0 MPa。三種復(fù)合材料拉伸模量、彎曲模量和壓縮模量數(shù)值相近。

當(dāng)復(fù)合材料的跨厚比為5∶1時(shí)，復(fù)合材料uRamie-3233-120，uRamie-3233-140 和 uRamie-3233-180的層間剪切強(qiáng)度分別為24.9 MPa，22.4 MPa和17.3 MPa。當(dāng)復(fù)合材料的跨厚比為4∶1時(shí)，復(fù)合材料 uRamie-3233-120，uRamie-3233-140 和 uRamie-3233-180的層間剪切強(qiáng)度分別為 26.4 MPa，23.9 MPa和18.7 MPa?？梢?jiàn)隨著固化溫度的升高和跨厚比的提高，層間剪切強(qiáng)度逐漸降低。

180℃固化2h后，復(fù)合材料的強(qiáng)度變小，由于溫度對(duì)樹(shù)脂的強(qiáng)度影響不大，可見(jiàn)強(qiáng)度的減小主要是因?yàn)槠r麻纖維的熱氧化降解，使纖維的力學(xué)性能降低，或纖維中物理或化學(xué)吸附水的進(jìn)一步釋放，破壞了纖維和樹(shù)脂基體界面，使復(fù)合材料力學(xué)性能降低。

表2 單向苧麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能Table 2 The mechanical properties of unidirectional ramie fiber reinforced composite

2.5 增強(qiáng)材料對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

本工作分別制備了平紋苧麻織物、單向苧麻纖維和單向玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，對(duì)比研究了增強(qiáng)材料的類型對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，復(fù)合材料的纖維體積含量約為60%，固化工藝為120℃/2h，三種復(fù)合材料的力學(xué)性能如表3所示。單向苧麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平紋苧麻織物增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，如單向苧麻復(fù)合材料uRamie-3233-120的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量分別為154.0 MPa和35.6 GPa，而苧麻織物增強(qiáng)復(fù)合材料fRamie-3233-120分別為95.0 MPa和9.2 GPa。由于玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度約3500 MPa，高于苧麻纖維的拉伸強(qiáng)度，因此，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度也會(huì)明顯高于苧麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度。而由于兩種纖維的模量相近，因此其增強(qiáng)復(fù)合材料的模量也相近。

表3 苧麻纖維和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能Table 3 The mechanical properties of ramie fiber and glass fiber reinforced composites

3 結(jié)論

（1）環(huán)氧樹(shù)脂基體3233在120℃/2h，140℃/2h和180℃/2h的固化工藝下，其力學(xué)性能變化不大。

（2）苧麻纖維絲束力學(xué)性能的分散性較大，不能用來(lái)研究固化溫度對(duì)纖維絲束力學(xué)性能的影響，進(jìn)而預(yù)測(cè)固化溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

（3）苧麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料在120℃和140℃下固化2h后力學(xué)性能相當(dāng)，但是在180℃固化2h后，強(qiáng)度明顯減小，三種固化溫度下模量變化不大。

（4）60%的纖維體積含量下，單向苧麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能要高于平紋苧麻織物增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，而單向玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度高于單向苧麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度，二者模量相近。

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