祝保林,趙 敏，周勝波

(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與材料學(xué)院,陜西 渭南 714099；2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司 結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南寧 530007)

氰酸酯樹脂是一種高性能熱固型樹脂，英文縮寫為CE，易溶于丙酮等有機(jī)溶劑。[1-3]由于其固化產(chǎn)物具有良好的耐高溫力學(xué)性能及對電磁波的特征吸收，常被用作軍事領(lǐng)域復(fù)合材料基體樹脂。[4-6]但由于單體CE中常含低沸點(diǎn)雜質(zhì)，導(dǎo)致在升溫固化過程中，低沸點(diǎn)雜質(zhì)氣化，釋放出低沸點(diǎn)小分子量物質(zhì)，使得澆鑄體板材固化后，小分子量雜質(zhì)無法排除，在澆鑄體板材內(nèi)部形成氣泡與開裂，影響澆鑄體板材整體性能。同時(shí)，由于固化產(chǎn)物內(nèi)部生成大量的三嗪環(huán)，體系內(nèi)部交聯(lián)度較高，致使固化產(chǎn)物雖然硬度大，但脆性較大，韌性差。所以，對CE樹脂的增韌改性，是拓展其應(yīng)用領(lǐng)域、開發(fā)新型復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)。[7-9]

納米Ce2O3粒子密度為8.32 g/cm3，熔沸點(diǎn)較高，硬度大，空氣中穩(wěn)定。[10]該粒子由于自身對高分子有機(jī)基體具有特殊的固化催化作用和良好的力學(xué)性能，目前，作為復(fù)合材料第二相填料被廣泛使用。納米Ce2O3粒子的引入，可以提高玻璃折射率與力學(xué)強(qiáng)度，卻會使烷類發(fā)生偶聯(lián)，還會使體系發(fā)生析晶和相分離。[11]所以，課題組選擇納米Ce2O3粒子作為CE/納米Ce2O3粒子復(fù)合材料第二相填料，引入CE樹脂，以期改善CE樹脂自身缺陷。

實(shí)驗(yàn)將納米Ce2O3粒子引入CE有機(jī)高分子基體。通過連續(xù)改變納米Ce2O3粒子與CE樹脂基的配比，來研究引入納米Ce2O3粒子后CE有機(jī)高分子基體在固化工藝、力學(xué)性能及耐腐蝕性方面的變化。

1 原料預(yù)處理及復(fù)合材料制備

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

雙酚A型氰酸酯單體(CE)：分析純，揚(yáng)州天啟新材料股份有限公司；環(huán)氧樹脂(EP-51)：分析純，南通星辰公司；二月桂酸二丁基錫(BDTL)：分析純，成都先科化工股份有限公司；納米氧化鈰(Ce2O3)粒子：粒徑40～60 nm，上海及歐納米科技有限公司；7501耐高溫真空硅脂：北京鞏華特種油制品有限公司；丙酮、H2SO4、NaOH：分析純，西安試劑廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

Quanta-200掃描電子顯微鏡 (SEM)：日本日立公司；高速分散均質(zhì)機(jī)：FJ-200型，上?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；流變儀：AR2000型，美國TA公司；真空干燥烘箱：DZF-6050型，上?，樮帉?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；量程200℃溫度計(jì)；懸臂梁沖擊測試儀：JBD-Y型，濟(jì)南凱銑試驗(yàn)機(jī)制造有限公司；WDS數(shù)顯電子萬能試驗(yàn)機(jī)：濟(jì)南凱銑試驗(yàn)機(jī)制造有限公司；即熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S型，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；臺式干燥烘箱：中國重慶銀河實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；精密増力電動攪拌器：JJ-1型，江蘇省金壇市祥龍電子有限公司；澆鑄體板材成型模具：自制；分析天平：天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)自制模具制作

將厚度為0.4 cm的玻璃裁制成長20 cm、寬15 cm的玻璃板及兩種規(guī)格的玻璃條：長23 cm、寬2 cm;長15 cm、寬2 cm，用藥棉蘸取丙酮，將玻璃擦拭干凈晾干備用。用藥棉蘸取真空硅脂均勻涂抹于玻璃板與玻璃條上薄薄一層，將長玻璃條放置于玻璃板涂有硅脂的一面距長邊底部2 cm處，將短玻璃條放置于玻璃板短邊1 cm處，將另一塊涂有硅脂的玻璃板覆于其上壓緊檢查接觸邊角有無空隙。若無空隙用夾具將玻璃板與玻璃條接觸處夾緊，并將模具固定于鋼制模具架上。最后轉(zhuǎn)入真空恒溫干燥箱中預(yù)熱至85℃左右備用。

1.4 澆鑄體板材制備

1.4.1 預(yù)處理

(1)CE單體預(yù)處理：將CE單體粉末在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)75℃鼓風(fēng)干燥30 min，自然冷卻后密封備用。

(2)納米Ce2O3粒子預(yù)處理：納米Ce2O3粒子于100℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)鼓風(fēng)干燥30 min，自然冷卻后密封備用。

1.4.2 澆鑄體板材的制備

準(zhǔn)確稱取50 g干燥處理后的CE樹脂于干燥潔凈的100 mL小燒杯內(nèi)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為表1所示配比的EP-51(115℃為CE樹脂不加引發(fā)劑，可自身聚合的溫度點(diǎn)。115℃以下，起引發(fā)劑作用的主要是BDTL，CE樹脂聚合生成三嗪環(huán)；150℃以上，BDTL分解，失去引發(fā)劑作用，EP-51起到引發(fā)劑作用，并參與聚合，CE樹脂與EP-51可部分聚合，生成噁唑啉環(huán)[12])，于90℃下油浴加熱溶解。待CE與EP-51溶解完全后，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%的引發(fā)劑BDTL，均質(zhì)分散機(jī)間斷高速分散10 s后，迅速加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為表1所示配比的經(jīng)預(yù)處理的納米Ce2O3粒子，繼續(xù)高速分散10 s。再于90℃油浴預(yù)聚至既定黏度，停止油浴加入3 mL丙酮作為稀釋劑(降低黏度，便于預(yù)聚體向模具中轉(zhuǎn)移)，玻璃棒攪拌均勻后快速移入經(jīng)預(yù)熱到85℃的模具中。再將模具放入85℃真空恒溫箱內(nèi)，抽真空(-0.075 MPa)維持真空度1.25 h(抽出加入的丙酮與體系內(nèi)部因雜質(zhì)影響而發(fā)生副反應(yīng)所放出的氣體，防止固化后體系內(nèi)存在氣泡或板材開裂。現(xiàn)象為抽真空初期，模具內(nèi)氣泡細(xì)小而密集，迅速放出；后期，模具內(nèi)氣泡變大，并且釋放速度緩慢，此時(shí)即可停止抽真空)，降低真空度至常壓后，按以下固化工藝固化。固化完成后自然冷卻，按照國標(biāo)要求裁割澆鑄體板材，密封備用。

1.4.3 固化工藝的確定

通過流變儀以黏度法來確定固化工藝(詳見2.1操作步驟)。

1.5 測試方法

1.5.1 彎曲強(qiáng)度

將澆鑄體板材裁割成長、寬、厚分別為60、10、4 mm(精確尺寸需用游標(biāo)卡尺測量)的樣條，按照國際標(biāo)準(zhǔn)GB 2570—1995檢測。[2]按照公式計(jì)算彎曲強(qiáng)度，公式如下：

其中：σ為彎曲強(qiáng)度，單位為MPa；P為澆鑄體板材斷裂時(shí)所施加的最大外加載荷(測量值)，單位為N；l為受力支點(diǎn)間的距離，單位為mm；b為試件寬度，單位為mm；h為試件厚度，單位為mm。

1.5.2 沖擊強(qiáng)度

將澆鑄體板材裁割成長、寬、厚分別為30、10、4 mm(精確尺寸需用游標(biāo)卡尺測量)的樣條，按照國際標(biāo)準(zhǔn)GB 2570—1995檢測。[2]測量值按照公式計(jì)算彎曲強(qiáng)度，公式如下：

其中：δ為沖擊強(qiáng)度，單位為kJ/m2；P為澆鑄體板材斷裂時(shí)所施加的最大外加載荷(測量值)，單位為N；b為試件寬度，單位為mm；h為試件厚度，單位為mm。

1.5.3 SEM表征

對純CE澆鑄體板材及CE/納米Ce2O3粒子復(fù)合材料澆鑄體板材的新鮮斷面，先以氬離子束轟擊，形成鏡面，保留新鮮斷面真實(shí)孔隙。真空狀態(tài)下，再在斷面表面鍍10～20 nm 厚的“金膜”，以日本產(chǎn)Quanta-200型掃描電子顯微鏡觀察材料斷口形貌及區(qū)域的脆斷面。

1.5.4 耐酸、堿腐蝕

將沖擊、彎曲測試后的廢料板材收集編號，將所需料盛于小燒杯中置于鼓風(fēng)干燥箱中90℃至100℃干燥30 min，稱重記錄堿腐蝕前的質(zhì)量。以濃H2SO4和飽和氫氧化鈉溶液中分別浸泡不同編號的板材，72 h后取出擦干表面，測試前后質(zhì)量損失，計(jì)算酸、堿腐蝕率。[2]

2 結(jié)果與討論

2.1 黏度法固化工藝的確定

(1)體系黏度的測定。步驟為：稱取5 g CE與4% CE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的環(huán)氧樹脂(EP)，放入50 mL小燒杯中，油浴加熱融化，定量加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的引發(fā)劑二月桂酸二丁基錫(BDTL)，經(jīng)均質(zhì)分散20 s后油浴預(yù)聚，預(yù)聚時(shí)用磁力攪拌器攪拌。以AR-2000型流變儀測量體系黏度，達(dá)到所需黏度(澆鑄體適宜黏度為：4.5 Pa·s[1]。在此黏度下，既可以保證原料預(yù)混體系定量轉(zhuǎn)移至經(jīng)預(yù)熱的模具中，不至于黏度過大時(shí)，造成原料預(yù)混體的粘連損失,又可以保證在后期固化溫度下，固化溫度高于低沸點(diǎn)單體時(shí)，低沸點(diǎn)單體的揮發(fā)損失[12-13])時(shí)所需時(shí)間見表2。

固化工藝的確定。稱取干燥處理后的CE樹脂10 g，加入不同百分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的BDTL(見表2)，對于澆鑄體板材固化工藝的確定，基本原則是在定量引發(fā)劑作用和特定的溫度下，使單體在適宜的時(shí)間內(nèi)預(yù)聚為分子量較大的預(yù)聚體，以減小預(yù)聚體在固化溫度下的揮發(fā)損失，改變物料配比，一般選取30 min左右適宜。引發(fā)劑用量及預(yù)聚溫度過低，聚合時(shí)間過長，則在預(yù)聚溫度(模具內(nèi)預(yù)聚溫度為90℃，而CE樹脂單體的熔點(diǎn)在70℃左右，90℃左右CE單體會產(chǎn)生揮發(fā))下，基體單體由于揮發(fā)損失過大，無法保證既定的質(zhì)量配比；引發(fā)劑用量及預(yù)聚溫度過高，則預(yù)聚時(shí)間過短，聚合速度過快，則容易產(chǎn)生“暴聚”，導(dǎo)致澆鑄體板材呈蜂窩狀，板材報(bào)廢。又由于純CE樹脂在無引發(fā)劑存在下，本體的聚合溫度約為115℃左右，所以，實(shí)驗(yàn)將溫度上限設(shè)定為130℃，選取90℃、100℃、110℃、120℃和130℃共5個溫度點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)選。[12]最終根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)法，確定固化在0.2%的引發(fā)劑用量下，充分保證復(fù)合體系在低溫下保留足夠時(shí)間，達(dá)到預(yù)定黏度后，轉(zhuǎn)入經(jīng)預(yù)熱后的模具。

表2 不同溫度下達(dá)到特定預(yù)聚度時(shí)引發(fā)劑用量與時(shí)間的關(guān)系

此時(shí)，一方面保證原料預(yù)混體能夠定量轉(zhuǎn)入，另一方面又保證了后期升溫固化時(shí)，預(yù)聚體具有適當(dāng)?shù)姆肿恿亢瓦m當(dāng)?shù)姆悬c(diǎn)，要求預(yù)聚體沸點(diǎn)要高于特定階段的固化溫度，防止后期升溫固化過程中，低分子量、低沸點(diǎn)的預(yù)聚體汽化后，由于體系黏度過大，產(chǎn)生的氣泡無法從板材中釋放，被封閉在固化板材內(nèi)，形成蜂窩狀板材，導(dǎo)致板材報(bào)廢。[12]澆鑄體板材制作與常規(guī)硫化機(jī)不同，硫化機(jī)是加壓成型，而澆鑄體板材是減壓成型。[13]所以，針對黏度法數(shù)據(jù)，采用正交實(shí)驗(yàn)法確定的具體確定固化工藝為：90℃/60 min→100℃/60 min→110℃/60 min→130℃/30 min→150℃/30 min→160℃/30 min→180℃/60 min→200℃/30 min。后固化為220℃下30 min。

2.2 不同含量納米Ce2O3粒子對復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度的影響

復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能決定了復(fù)合材料的用途及能否被推廣普及。不同配比的CE/納米Ce2O3粒子復(fù)合材料澆鑄體板材的彎曲強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度見圖1。

圖1 納米Ce2O3粒子引入量對材料彎曲強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度的影響

由圖1可知，復(fù)合材料澆鑄體板材沖擊、彎曲強(qiáng)度隨納米Ce2O3粒子的引入，均呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢。當(dāng)納米Ce2O3粒子的引入量為0.2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，該復(fù)合材料澆鑄體板材的彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值，為162.41 MPa，比純CE樹脂澆鑄體板材的84.57 MPa提高92.00%；當(dāng)納米Ce2O3納米粒子引入量為0.3%時(shí)，復(fù)合澆鑄體板材的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值13.56 kJ/m2，沖擊強(qiáng)度比純CE基體澆鑄體板材的8.30 kJ/ m2提高63.40%。即在純CE樹脂基體中適量引入納米Ce2O3粒子，大幅提高了CE/納米Ce2O3粒子復(fù)合材料澆鑄體板材的靜態(tài)力學(xué)性能,即沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。

2.2.1 彎曲強(qiáng)度趨勢變化原因分析

當(dāng)納米Ce2O3粒子引入量由0%增加到0.2%時(shí),復(fù)合澆鑄體板材彎曲強(qiáng)度呈上升趨勢。首先，第二相粒子納米Ce2O3粒子的引入，相當(dāng)于材料強(qiáng)化方式中的第二相強(qiáng)化。當(dāng)復(fù)合材料澆鑄體板材承受外加載荷時(shí)，其內(nèi)部的微觀晶粒出現(xiàn)位錯而導(dǎo)致晶粒的滑移現(xiàn)象，造成材料被破壞。但納米Ce2O3粒子的引入，會在材料內(nèi)部起到“釘扎”作用，導(dǎo)致位錯線繞過納米Ce2O3粒子時(shí)，會耗散更多能量。同時(shí)該粒子的引入使得復(fù)合材料澆鑄體板材在承受外加載荷時(shí)，內(nèi)部的位錯在運(yùn)動過程中發(fā)生塞積，從而提高了材料的彎曲強(qiáng)度。但過猶不及，當(dāng)大量位錯塞積出現(xiàn)時(shí)，塞積點(diǎn)會出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成復(fù)合材料澆鑄體板材內(nèi)部產(chǎn)生“銀紋”；“銀紋”的相互貫通和加深，導(dǎo)致復(fù)合材料澆鑄體板材內(nèi)部出現(xiàn)“裂紋”；外加載荷繼續(xù)增大，又導(dǎo)致“裂紋”的加深和貫通，最終導(dǎo)致澆鑄體板材斷裂[2]。因此,當(dāng)納米Ce2O3粒子引入量為0.3%～1.0%時(shí)，復(fù)合澆鑄體板材的彎曲強(qiáng)度開始下降。其次，納米Ce2O3粒子的引入改變了基體中粒子所在位置的彈性應(yīng)力場，影響該位置位錯線的滑移與攀移，消耗更多載荷能量[1]。而且納米Ce2O3粒子的彈性模量與基體材料不同，會影響位錯線張力，也會消耗一部分載荷能量。第三，從有機(jī)高分子材料結(jié)構(gòu)方面看，由于引入的納米Ce2O3粒子表面殘鍵較多，這些未飽和的殘鍵在BDTL引發(fā)劑的作用下可與基體CE樹脂末端活性基團(tuán)產(chǎn)生接枝，導(dǎo)致基體原有的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)三嗪環(huán)部分被破壞，縮短了基體樹脂的碳鏈長度，適當(dāng)降低了體系的交聯(lián)度，使基體樹脂晶粒結(jié)晶度降低，細(xì)化了晶粒，提高了材料的韌性。但是當(dāng)納米Ce2O3粒子引入量為0.2%～1.0%時(shí)基體內(nèi)部原有的三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)被大幅破壞，導(dǎo)致基體樹脂交聯(lián)密度降低幅度過大，宏觀上則表現(xiàn)為復(fù)合材料澆鑄體板材的彎曲強(qiáng)度又有所下降。

2.2.2 沖擊強(qiáng)度趨勢變化原因分析

綜合圖1結(jié)果可知，當(dāng)納米Ce2O3粒子引入量為0.2%時(shí)，復(fù)合澆鑄體板材彎曲強(qiáng)度已出現(xiàn)極大值，而沖擊強(qiáng)度極大值在0.3%時(shí)出現(xiàn)，極大值為13.56 kJ/m2，比純CE基體板材的8.30 kJ/m2,提高了63.40%，出于成本因素考慮,納米Ce2O3粒子引入量應(yīng)該在0.2%～0.3%之間復(fù)合樹脂澆鑄體沖擊與彎曲強(qiáng)度綜合性能最好。

因復(fù)合材料澆鑄體板材中引入的納米Ce2O3粒子表面含有大量殘存化學(xué)鍵，這些殘存的化學(xué)鍵可以與復(fù)合澆鑄體板材基體樹脂實(shí)現(xiàn)鍵合，加大了納米Ce2O3粒子與基體的界面互容能力，當(dāng)基體受力時(shí)能起到分散能量的作用，實(shí)現(xiàn)材料增韌。另一方面，從機(jī)理上講，當(dāng)納米Ce2O3粒子引入后，會影響位錯線與位錯環(huán)運(yùn)動的形態(tài)和方式，從而對復(fù)合材料澆鑄體板材起到強(qiáng)化作用。據(jù)圖分析，在本實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)隨著納米Ce2O3粒子的引入，材料的沖擊性能總體上呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。

復(fù)合材料澆鑄體板材力學(xué)性能得到改善，還可以從復(fù)合材料澆鑄體板材的微觀形貌上給予解釋。

2.2.3 復(fù)合材料微觀形貌對力學(xué)性能提升的分析

分別對純CE、CE/納米Ce2O3粒子系列復(fù)合材料澆鑄體板材進(jìn)行SEM掃描。比較純CE、CE/納米Ce2O3粒子(0.1%～0.5%)復(fù)合材料板材的SEM，見圖2。

對于微觀形貌：純CE樹脂澆鑄體板材和CE/納米Ce2O3粒子復(fù)合材料澆鑄體板材力學(xué)性能的優(yōu)劣，體現(xiàn)在SEM微觀形貌的粗糙程度、斷面韌窩的深淺和均勻度上。微觀形貌若表現(xiàn)為比較平滑的河流狀形貌，則為脆性斷裂面，復(fù)合材料澆鑄體板材力學(xué)性能較差；微觀形貌若表現(xiàn)為大量分布均勻且比較深的韌窩出現(xiàn)，則力學(xué)性能較佳，為典型的韌性斷裂面。

純高分子樹脂CE基體的斷面圖2(a)較平整，為平滑的河流狀形貌，河流狀斷紋橫貫整個板材，是典型的脆性斷裂，輕微的塑性形變僅在斷面的部分區(qū)域發(fā)生，符合銀紋斷裂機(jī)理[4]。在高分子基體中引入納米Ce2O3粒子后，復(fù)合材料斷面微觀形貌發(fā)生了明顯的改變，由圖2(b)(納米Ce2O3粒子含量為0.1%)開始，斷面微觀形貌中韌窩開始出現(xiàn)，但圖2(b)(c)中韌窩不但出現(xiàn)得比較淺，而且韌窩不規(guī)則，尚未擺脫歸河流狀斷紋形態(tài)，可歸屬為高分子基體微晶界面脫粘導(dǎo)致的滑移而形成的孔隙，此類孔隙邊緣及表層光滑、深淺不一、尺寸較大，孔隙周邊存在輕微的塑性形變痕跡。圖2(d)(e)中，復(fù)合材料斷面上出現(xiàn)的韌窩密度、深度和均勻度均有大的轉(zhuǎn)變，圖2(d)上脆性斷裂的河流狀斷紋形態(tài)已經(jīng)徹底消失，基體微觀形貌已體現(xiàn)為韌性的韌窩狀斷面形態(tài)。圖2(e)上，斷面韌窩較深，且均勻，為理想韌性斷裂微觀形貌。原因在于，當(dāng)納米Ce2O3粒子含量達(dá)到0.3%時(shí)，向澆鑄體板材施加載荷，無機(jī)納米Ce2O3粒子周邊首先會形成應(yīng)力集中區(qū)[14]，導(dǎo)致位錯線繞過該粒子時(shí)，可實(shí)現(xiàn)外加載荷能量的耗散。另一方面，此過程中，由于納米Ce2O3粒子未經(jīng)表面有機(jī)化處理，表面殘鍵較多，兩相間存在較強(qiáng)的界面作用，致使界面化學(xué)鍵拉伸，并且發(fā)生周邊基體的塑性形變，可耗散大量能量，阻礙裂紋的加深和擴(kuò)展，提升了板材的抗沖擊與拉伸韌性，保證了沖擊輕度與彎曲強(qiáng)度的提高。

(a)CE

(b)Ce2O3粒子含量0.1%

(c)Ce2O3粒子含量0.2%

(d)Ce2O3粒子含量0.3%

(e)Ce2O3粒子含量0.4%

(f)Ce2O3粒子含量0.5%

當(dāng)納米Ce2O3粒子含量大于0.4%時(shí)，澆鑄體板材內(nèi)部的位錯滑移數(shù)量上升，當(dāng)大量位錯塞積時(shí)，塞積點(diǎn)會出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成復(fù)合材料澆鑄體板材內(nèi)部產(chǎn)生“銀紋”；“銀紋”的相互貫通和加深，導(dǎo)致復(fù)合材料澆鑄體板材內(nèi)部出現(xiàn)“裂紋”；外加載荷繼續(xù)增大，又導(dǎo)致“裂紋”的加深和貫通，最終導(dǎo)致澆鑄體板材斷裂。如圖2(f)所示，澆鑄體板材微觀形貌上，韌窩數(shù)目不僅減少，而且韌窩又開始變淺并不均勻，可以看到微觀形貌由圖2(e)的典型韌性斷面又開始出現(xiàn)脆性斷面的河流狀特征。說明復(fù)合材料體系對于納米Ce2O3粒子的容納，有特定的上限(納米Ce2O3粒子含量應(yīng)低于0.3%)，超過該上限，復(fù)合材料性能又開始下降。所以對于CE基體中引入未經(jīng)表面處理的納米Ce2O3粒子時(shí)，納米Ce2O3粒子含量在0.2%～0.3%之間，可提高復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能。SEM分析結(jié)果與沖擊、彎曲強(qiáng)度數(shù)據(jù)一致，從微觀形貌上解釋了力學(xué)性能出現(xiàn)最佳點(diǎn)的原因。

2.3 不同含量納米Ce2O3粒子對復(fù)合材料板材耐酸、堿腐蝕性能的影響

復(fù)合材料板材在使用過程中，難免會接觸酸、堿，納米Ce2O3粒子含量對復(fù)合材料板材耐酸、堿腐蝕性能的影響見圖3。根據(jù)圖3可知，隨不同含量納米Ce2O3粒子的加入，材料的耐酸、堿腐蝕率都呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。當(dāng)納米Ce2O3粒子加入量為0.3%～0.4%時(shí)，材料耐酸、堿腐蝕率性能提高。當(dāng)納米Ce2O3粒子含量超過0.3%(耐堿腐蝕為0.4%)時(shí)，材料耐酸、堿腐蝕性能開始降低。

由圖3數(shù)據(jù)可知，當(dāng)納米Ce2O3粒子含量為0.1%～0.4%時(shí)材料的耐堿腐蝕能力提高，這是因?yàn)椋旱谝?，納米Ce2O3粒子自身對CE基體的聚合有促進(jìn)作用。適量納米Ce2O3粒子的引入，更有利于基體CE的自身聚合，使復(fù)合材料澆鑄體板材固化體系內(nèi)短鏈分子更少，在強(qiáng)堿浸泡時(shí)，難以從整體大分子鏈中脫離短鏈分子鏈，從而使耐強(qiáng)堿腐蝕性能得以提高。第二，當(dāng)納米Ce2O3粒子含量大于0.4%時(shí)，該未經(jīng)表面有機(jī)化處理的無機(jī)納米粒子，對CE 基體自聚時(shí)的引發(fā)作用遠(yuǎn)小于對體系內(nèi)三嗪環(huán)生成作用的阻礙作用，導(dǎo)致復(fù)合材料澆鑄體體系內(nèi)生成的短鏈分子不能“接枝”于大分子鏈上，僅以短鏈分子鏈存在于體系之中，當(dāng)這些短鏈分子鏈與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿接觸時(shí)，易被強(qiáng)酸、強(qiáng)堿腐蝕脫離，導(dǎo)致復(fù)合材料澆鑄體板材的酸堿耐腐蝕率下降。[15]當(dāng)復(fù)合材料澆鑄體板材中納米Ce2O3粒子的含量達(dá)到1.0%時(shí)，體系耐酸、堿腐蝕性能最低(濃H2SO4腐蝕率達(dá)到0.22%，強(qiáng)堿腐蝕率達(dá)到0.18%)。但總體來說，復(fù)合材料體系引入納米Ce2O3粒子后，總體耐酸、堿腐蝕性能都優(yōu)于純CE高分子基體板材。

圖3 納米Ce2O3粒子含量對材料耐酸、堿腐蝕性能的影響

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，納米Ce2O3粒子的引入，總體上提高了復(fù)合材料的耐酸、堿腐蝕性能。但納米Ce2O3粒子的加入量應(yīng)控制在0.3%～0.4%之間，在此范圍內(nèi)，復(fù)合材料澆鑄體板材耐酸、堿腐蝕能力較佳。

3 結(jié)論

(1)由實(shí)驗(yàn)制備的CE/納米Ce2O3粒子復(fù)合材料澆鑄體板材，力學(xué)性能與納米Ce2O3粒子的加入量有關(guān)。若單獨(dú)追求抗彎曲性能良好，則應(yīng)將該粒子引入量控制在0.2%，此時(shí)抗彎曲性能可達(dá)162.40 MPa；若單獨(dú)追求抗沖擊性能良好，則應(yīng)將該粒子引入量控制在0.3%，復(fù)合材料澆鑄體板材的抗沖擊強(qiáng)度可達(dá)13.56 kJ/m2;若要求兩者性能皆佳，則納米Ce2O3粒子加入量應(yīng)該在0.2%～0.3%之間。

(2)同樣，該復(fù)合材料澆鑄體板材的耐酸、堿腐蝕性能與納米Ce2O3粒子的加入量有關(guān)。當(dāng)納米Ce2O3粒子加入量為0.3%時(shí)，耐酸腐蝕效果最佳；當(dāng)納米Ce2O3粒子加入量為0.4%時(shí)，耐堿腐蝕效果最佳。

(3)綜合復(fù)合材料澆鑄體板材的力學(xué)及耐酸、堿腐蝕數(shù)據(jù)，復(fù)合材料在納米Ce2O3粒子加入量為0.3%時(shí)，綜合力學(xué)與耐酸、堿腐蝕性能最佳。