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        雙馬來酰亞胺樹脂/T700 碳纖維復(fù)合材料性能研究

        2020-11-28 01:58:04劉斌楊蘭田李芳張江江郭玉潔曾文廣趙海洋孫海鷗
        工程塑料應(yīng)用 2020年11期
        關(guān)鍵詞:老化基體力學(xué)性能

        劉斌,楊蘭田,李芳,張江江 ,郭玉潔,曾文廣,趙海洋,孫海鷗

        (1.中國石油化工集團公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點實驗室,烏魯木齊 830011; 2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司,烏魯木齊 830011; 3.哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院,哈爾濱 150001; 4.超輕材料與表面技術(shù)教育部重點實驗室,哈爾濱 150001)

        西北油田油氣資源埋藏在7 300~8 600 m 的地下,油藏平均深度為亞洲第一,井下油管面臨特深、高溫強腐蝕工況環(huán)境[1–3]。儲油層為奧陶系鷹山組、一間房組和蓬萊壩組,油藏的特點為儲層埋藏深度較大,地層的壓力和溫度較高,局部地區(qū)的儲層上部奧陶系桑塔木組的地層含有輝綠巖地層,易漏且易掉塊,因此增加了中石化西北油田油氣開發(fā)難度,油管腐蝕風(fēng)險極高,修井作業(yè)難度大,常規(guī)防腐措施強腐蝕環(huán)境適用性差等等,影響油管服役安全[4–5]。

        纖維增強復(fù)合材料(FRP)管的特點是綜合費用低、抗腐蝕、長壽命、較輕重量及易于滿足設(shè)計要求等特點[6–7]。雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)是一種熱固樹脂,克服了環(huán)氧樹脂耐熱性相對較低的缺點,具有優(yōu)異的耐溫性能,良好的耐熱性、耐輻射和熱膨脹系數(shù)較小等優(yōu)點。因此,近二十年來得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[8–10]。

        碳纖維(CF)是指含碳量在90%以上的纖維狀碳材料,屬于非均相結(jié)構(gòu),比較復(fù)雜,基本結(jié)構(gòu)單元是六角網(wǎng)平面[11–14],其結(jié)構(gòu)缺陷、尺寸大小和取向狀態(tài)等決定了它的綜合性能。CF 材料的優(yōu)點是質(zhì)輕、高強度、高模量[15–17],CF 的密度基本是鋼的1/4,鋁合金的1/2,強度是鋼的5~7 倍[18–19]。

        CF 增強BMI 復(fù)合材料除了兼具了CF 和BMI樹脂的優(yōu)點外,還具有:優(yōu)良的耐濕熱性能、較高的韌性以及優(yōu)異的成型性能[20–21];受到環(huán)境因素的影響較小,性能較為穩(wěn)定;耐熱性較高,通常在250℃左右,能夠滿足加工和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,以及耐高溫等高性能的要求[22–25]。

        筆者以BMI 為基體,以T700 CF 為主要的功能性填料,采用預(yù)浸料熱壓罐成型工藝制備了不同鋪層方式的BMI/T700 CF 復(fù)合材料,并對BMI/T700 CF 復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、老化性能等進(jìn)行了研究。

        1 實驗部分

        1.1 主要原材料

        CF:國產(chǎn)T700 級,密度為1.80 g/cm3,直徑7 μm,威海光威復(fù)合材料有限公司;

        BMI:QY8911,中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司。

        1.2 主要設(shè)備及儀器

        預(yù)浸料熱壓罐:600 mm×800 mm,山東中航泰達(dá)復(fù)合材料有限公司;

        超高分辨場發(fā)射掃描電鏡(FESEM):TESCAN MAIA3 型,泰思肯(中國)有限公司;

        電子萬能試驗機:DNS100 型,長春機械院;

        動態(tài)熱機械分析(DMA)儀:DMA242C 型,蘇州賽恩斯儀器有限公司;

        鼓風(fēng)干燥箱:GZX–GF101–2–BS–IIII 型,無錫建儀實驗器材有限公司。

        1.3 復(fù)合材料制備

        復(fù)合材料制備采用預(yù)浸料熱壓罐成型工藝,在室溫下抽真空處理,然后升溫至125℃左右,保溫1 h,在180℃下保溫1.5 h,升溫至210℃再保溫6 h,制得BMI/T700 CF 復(fù)合材料層合板,最后再壓板、剪切成相應(yīng)試樣。

        1.4 性能測試

        (1)形貌觀察。

        采用超高分辨FESEM 觀察 CF 表面和截面的形貌,測試前對試驗樣品進(jìn)行噴金處理,噴金時間為30 s。

        (2)力學(xué)性能測試。

        采用電子萬能試驗機對復(fù)合材料進(jìn)行測試,參考國標(biāo)GB/T2567–2008。

        ①拉伸性能的測試:拉伸強度測試前先用環(huán)氧樹脂膠將鋁片(加強片)粘貼在測試試樣兩端,然后在120℃左右下放入烘箱內(nèi)保溫1.5 h,準(zhǔn)備好試樣,測試時加載速度為2 mm/min。拉伸性能測試樣品尺寸選擇180 mm×20 mm×2 mm。參考國標(biāo)GB/T1447–2005。

        ②彎曲性能測試:測試樣品尺寸選擇80 mm×13 mm×4 mm,彎曲強度的測試參考國標(biāo)GB/T1449–2005。

        ③層間剪切強度的測試:測試樣品尺寸15 mm×20 mm(15 mm×35 mm),層間剪切強度的測試參考國標(biāo)GB/T1450.1–2005。

        ④壓縮強度的測試:壓縮強度測試樣品選擇長方體,尺寸為10 mm×10 mm×30 mm。參考國標(biāo)GB/T1448–2005。

        (3)熱學(xué)性能測試。

        采用DMA 儀測定BMI/CF 復(fù)合材料試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,升溫速率為2.5℃/min。

        (4)老化性能測試。

        在鼓風(fēng)干燥箱中,210℃溫度時,在不同時間下(0,120,168,240,336 h)考察BMI/CF 復(fù)合材料的老化性能。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 CF 微觀形貌分析

        采用SEM 觀察BMI/T700 CF 復(fù)合材料微觀形貌照片,如圖1 所示。

        圖1 T700 CF 微觀掃描電鏡圖

        從圖1 可知,CF 表面存在深淺不一的溝槽,T700 CF 截面形狀接近圓形,這種結(jié)構(gòu)使得T700 CF 在與各種樹脂復(fù)合時,纖維與樹脂間的結(jié)合更為緊密,根據(jù)傳統(tǒng)的粘合理論,T700 CF 表面有溝槽,能增加CF 的表面積,同時能夠增大CF 和樹脂之間的機械嚙合力,可提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。從圖1 截面圖可知,基本上沒有皮芯結(jié)構(gòu),徑向結(jié)構(gòu)分布也較均勻,纖維均質(zhì)化良好,能夠增加纖維表面的浸潤性能,CF 表面能隨著表面積的增大而增加。

        2.2 BMI/T700 CF 復(fù)合材料老化前力學(xué)性能

        筆者選用不同鋪層方式的BMI/T700 CF 復(fù)合材料,BMI/L–T700 復(fù)合材料(0°)、BMI/J–T700復(fù)合材料(90°)、BMI/G–T700 復(fù)合材料(各向)三種材料。未進(jìn)行老化試驗前,三種不同材料的力學(xué)性能見表1。

        表1 BMI/T700 CF 復(fù)合材料力學(xué)性能

        由表1 可知,三種BMI/T700 CF 復(fù)合材料中,在未進(jìn)行老化試驗前,BMI/G–T700 復(fù)合材料的拉伸性能達(dá)到815 MPa,高于鋼材的拉伸性能。

        2.3 BMI/T700 CF 復(fù)合材料老化后力學(xué)性能

        筆者結(jié)合未進(jìn)行老化試驗前三種材料的力學(xué)性能,經(jīng)綜合考慮,選擇了BMI/L–T700 復(fù)合材料,BMI/G–T700 復(fù)合材料兩種材料在210℃時不同時間下(0,120,168,240,336 h)的力學(xué)性能。兩種材料的力學(xué)性能分別見表2、表3。

        表2 BMI/L–T700 復(fù)合材料力學(xué)性能

        表3 BMI/G –T700 復(fù)合材料力學(xué)性能

        由表2 和表3 可知,不同高溫老化時間后,兩種BMI/T700 CF 復(fù)合材料在高溫老化初期,即240 h前,其拉伸強度有小幅度下降但不明顯,在240 h 后拉伸強度開始出現(xiàn)明顯下降趨勢,這可能因為復(fù)合材料失重的弱化作用與后固化等強化作用的綜合作用結(jié)果。在210℃的高溫條件下,CF 與BMI 樹脂的熱膨脹系數(shù)有較大差別,因此在復(fù)合材料內(nèi)部容易產(chǎn)生熱應(yīng)力,會使纖維/樹脂的界面處出現(xiàn)脫粘損傷等現(xiàn)象,對復(fù)合材料的抗拉性能會產(chǎn)生負(fù)面影響。兩種BMI/T700 復(fù)合材料高溫老化240 h 后,力學(xué)性能對比見表4。

        表4 BMI/T700 復(fù)合材料老化240 h 后力學(xué)性能

        由 表4 可 知,BMI/G–T700 復(fù) 合 材 料 在 老化240 h 后拉伸強度達(dá)806 MPa,彎曲強度達(dá)752 MPa,表現(xiàn)出較優(yōu)的力學(xué)性能,符合耐高溫材料的性能要求。兩種材料中,BMI/G–T700 復(fù)合材料力學(xué)性能較好。高溫老化的過程中,復(fù)合材料會有質(zhì)量損失、界面脫粘、熱老化效應(yīng)以及BMI 樹脂后固化效應(yīng)等現(xiàn)象。低分子量物質(zhì)揮發(fā)會導(dǎo)致質(zhì)量損失,因此使材料內(nèi)部產(chǎn)生許多孔隙,會使復(fù)合材料的彎曲性能降低。同時,后固化現(xiàn)象和熱老化效應(yīng)會增加復(fù)合材料的彎曲性能,而由于CF 和BMI 樹脂基體的熱膨脹系數(shù)相差較大,高溫作用時間較長也會使界面產(chǎn)生損傷,因此還會降低復(fù)合材料的彎曲性能。當(dāng)老化時間大于240 h 后,BMI/T700 復(fù)合材料后固化與熱老化效應(yīng)對彎曲性能的正面影響小于界面的脫粘等損傷的負(fù)面影響。后固化效應(yīng)能夠提高BMI 樹脂基體的交聯(lián)度,而高溫?zé)崂匣?yīng)會使樹脂基體的自由體積收縮,因此綜合兩方面均會提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

        3 結(jié)論

        (1)通過實驗可知,T700 CF纖維的均質(zhì)化良好,有助于提高復(fù)合材料性力學(xué)性能,能夠增加纖維表面的浸潤性能,CF 表面能隨著表面積的增大而增加。

        (2)三種BMI/T700 復(fù)合材料中,在未進(jìn)行老化試驗前,BMI/G–T700 復(fù)合材料的拉伸性能達(dá)到815 MPa,高于鋼材的拉伸性能。

        (3)復(fù)合材料在210 ℃老化240 h 后,BMI/G–T700 復(fù)合材料拉伸強度達(dá)806 MPa,彎曲強度達(dá)752 MPa,表現(xiàn)出較優(yōu)的力學(xué)性能,符合耐高溫材料的性能要求。當(dāng)老化時間大于240 h 后,復(fù)合材料后固化與熱老化效應(yīng)對彎曲性能的正面影響小于界面的脫粘等損傷的負(fù)面影響。后固化效應(yīng)能夠提高BMI 樹脂基體的交聯(lián)度,而高溫?zé)崂匣?yīng)會使樹脂基體的自由體積收縮,因此綜合兩方面均會提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

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