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

        2012-07-16 03:57:24劉燕峰包建文李艷亮益小蘇
        航空材料學(xué)報(bào) 2012年2期
        關(guān)鍵詞:苧麻單向環(huán)氧樹(shù)脂

        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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