付成龍，向 陽(yáng)

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610000)

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)由于具備較高的比強(qiáng)度和比模量、耐腐蝕、破壞安全性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于生活和工業(yè)領(lǐng)域，如玻璃鋼游艇、大跨度橋梁、風(fēng)電葉片、垃圾桶等[1-8]。其鋪層參數(shù)及在化學(xué)溶劑侵蝕后力學(xué)性能的研究尤為重要，本文通過(guò)不同的鋪層角度和溶劑，比較了鋪層角度、浸泡溶劑對(duì)GFRP試樣力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

濃度30%的H2O2溶液，天津福晨化學(xué)試劑廠；NaOH(顆粒狀)，成都市科龍化工試劑廠；環(huán)氧樹(shù)脂E-4675，昆山祥豐新復(fù)合材料有限公司；玻璃纖維，市售。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

JE2002型電子天平；JP-90H型真空泵；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；HY-10080型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

1.3 試樣制備

為了研究織物鋪層角度對(duì)于玻璃纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，分別設(shè)計(jì)四種不同的鋪層角度進(jìn)行研究。此外，為了研究化學(xué)試劑對(duì)于玻璃纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，分別采用濃度為2%的雙氧水和NaOH溶液(浸泡2 h)進(jìn)行處理；試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)表

注：對(duì)于空白試樣(E)、模擬氧化(F)、堿環(huán)境(G)試驗(yàn)，采用全90°鋪層；S為對(duì)稱鋪層。

試樣制備過(guò)程：采用手糊成型工藝，由50%環(huán)氧樹(shù)脂與50%玻璃纖維制得，按照試驗(yàn)參數(shù)(見(jiàn)表1)制備本次試驗(yàn)所需的試樣，在真空泵和烘箱環(huán)境下固化成型。

1.4 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》測(cè)定。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同鋪層角度試樣試驗(yàn)結(jié)果分析

不同鋪層角度試樣的拉伸強(qiáng)度見(jiàn)表2。從表2可以看出，在不同鋪層角度的拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)中，試樣B的拉伸強(qiáng)度最好，試樣D次之，而試樣A的拉伸強(qiáng)度最低。以試樣C為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，試樣A的拉伸強(qiáng)度比試樣C降低了1.31%，而試樣B比試樣C提高了10.12%。

表2 不同鋪層角度試樣拉伸強(qiáng)度

由此可以看出，通過(guò)比較試樣C和試樣A在鋪第二、三層時(shí)，±45°的鋪層順序剛好相反，但試樣C的拉伸強(qiáng)度只比試樣A的拉伸強(qiáng)度提高了1.31%，因此在鋪層順序中，連續(xù)鋪層±45°時(shí)，45°與-45°的先后鋪層順序?qū)υ嚇永鞆?qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)。試樣B表面鋪層為45°，該鋪層有良好的損傷容限極限，能降低應(yīng)力集中；此外有研究表明±45°鋪層可以增加材料的剪切強(qiáng)度和局部屈曲強(qiáng)度，還可避免拉-剪和拉-彎耦合引起固化后的翹曲等變形[9]，故其測(cè)試所得結(jié)果最高。通過(guò)試樣D與試樣C的鋪層順序?qū)Ρ龋瑑煞N鋪層方式只是在表面第一層鋪層不同，試樣C鋪層為0°，試樣D鋪層為90°，而試樣D的拉伸強(qiáng)度只比試樣C的拉伸強(qiáng)度高2.61%，對(duì)比分析得，第一層的鋪層0°或90°對(duì)試樣的拉伸強(qiáng)度影響變化不大。

2.2 H2O2溶液 NaOH溶液處理試樣試驗(yàn)結(jié)果分析

H2O2溶液與NaOH溶液處理的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3分析，未經(jīng)處理過(guò)的玻璃纖維復(fù)合材料試樣的拉伸強(qiáng)度最好，而當(dāng)試樣分別用H2O2溶液、NaOH溶液處理后，試樣的拉伸強(qiáng)度都比未處理試樣低，分別降低50.47%和26.65%。這是由于復(fù)合材料是由玻纖、環(huán)氧樹(shù)脂經(jīng)手糊成型工藝制備而成，其構(gòu)件內(nèi)部的空隙率比采用熱壓罐制備的試樣要高得多，在老化環(huán)境下，其力學(xué)性能衰減較快。因此，將試樣放于2%H2O2溶液、NaOH溶液中浸泡，溶液容易對(duì)GFRP試樣的界面發(fā)生了破壞，降低其界面強(qiáng)度。

表3 H2O2溶液與NaOH溶液處理試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)，有研究表明，將玻璃纖維試樣放于濃度20%的NaOH溶液中，超過(guò)60 min后，其彎曲強(qiáng)度降低了46%。NaOH溶液會(huì)造成玻璃纖維表面和整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞且纖維體內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)貫穿性損傷，其破壞程度會(huì)隨著侵蝕時(shí)間的增加而越發(fā)嚴(yán)重[10]。因此，在氫氧化鈉溶液環(huán)境中使用GFRP材料時(shí)應(yīng)該注意防護(hù)。

從表3還可以看出，NaOH溶液處理后的拉伸強(qiáng)度比H2O2溶液處理后的拉伸強(qiáng)度高48.1%。試樣浸泡相同的時(shí)間時(shí)，H2O2溶液對(duì)于試樣的腐蝕程度大于NaOH溶液，這是因?yàn)榻?jīng)H2O2處理后，環(huán)氧樹(shù)脂基質(zhì)粗糙度增加，部分樹(shù)脂基質(zhì)溶解，纖維暴露增多，有些在纖維之間形成了較深的空隙[11]，使得樹(shù)脂基體失去了對(duì)纖維的保護(hù)作用和傳遞應(yīng)力的作用，因此試樣在載荷作用下其拉伸強(qiáng)度下降明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料可以通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化鋪層參數(shù)獲得適宜的拉伸強(qiáng)度以達(dá)到設(shè)計(jì)需求。此外，本次試驗(yàn)中連續(xù)鋪層±45°時(shí)，45°與-45°的先后鋪層順序?qū)υ嚇永鞆?qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)；經(jīng)過(guò)堿(NaOH)處理和氧化劑(H2O2)處理后，GFRP試樣的性能分別降低26.65%和50.47%，表明氧化劑處理比堿處理對(duì)玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的影響較大。