武夢雅 李 鵬＊

（北京化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京100029）

1 概述

復(fù)合材料在具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、易加工成型等諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，單位質(zhì)量卻只有鋁合金的一半、鋼的五分之一，從而在飛機(jī)機(jī)體制造中得到大量應(yīng)用[1]。環(huán)氧樹脂是目前很有發(fā)展前景的復(fù)合材料之一。然而，這種樹脂韌性較差，沖擊強(qiáng)度低，在撞擊時(shí)易脆，并且由于其高度的化學(xué)交聯(lián)而顯示出對裂紋擴(kuò)展的不良抗性，降低了其作為結(jié)構(gòu)材料的可靠性[2]，因此要對環(huán)氧樹脂進(jìn)行增韌，采用填料與基體之間的互補(bǔ)方式來提高基體的性能[3]。

研究不同添加含量顆粒之間的相互作用還有很長的路要走，而且目前很少將聲發(fā)射檢測到的實(shí)時(shí)動態(tài)信號與加工實(shí)驗(yàn)條件導(dǎo)致材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化相結(jié)合，將聲發(fā)射信號參數(shù)的變化與固化溫度等材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的吸波特性聯(lián)系起來還處于空白，這也是本實(shí)驗(yàn)的研究目的。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)主要用到的實(shí)驗(yàn)藥品如下：E51 液態(tài)環(huán)氧樹脂，南通星辰合成材料有限公司；甲基六氫苯酐，分析純，北京中化納融貿(mào)易有限公司；N,N-二甲基甲酰胺，分析純，南京科正化工有限公司；碳納米管，化學(xué)純，中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)器材

本次實(shí)驗(yàn)所用到的主要實(shí)驗(yàn)器材如下：DZF-6050 型真空干燥箱，北京宏達(dá)天矩材料設(shè)備有限公司；DF-101S 型恒溫磁力攪拌器，予華儀器有限責(zé)任公司；T201N 型電子天平，上海精天電子儀器有限公司；HH-2 型恒溫油浴鍋，江蘇正基儀器有限公司；電子拉力試驗(yàn)機(jī)，青島高鐵檢測儀器有限公司；PCL-2 型聲發(fā)射檢測設(shè)備，美國物理聲學(xué)公司；R15α 型傳感器，美國物理聲學(xué)公司。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案與流程

2.3.1 制備方案

將甲基-六氫苯酐加入盛有E51 的燒杯中，置于110 ℃油浴鍋中恒溫?cái)嚢? h，混合均勻，制成澄清透明的液體，加入碳納米管（五次加入比例分別為碳納米管：環(huán)氧樹脂=0%wt、0% wt、0.5% wt、1% wt、1.5% wt）并在油浴鍋中110℃恒溫持續(xù)攪拌2 h，使之分散均勻，冷卻至室溫，加入N,N-二甲基甲酰胺，室溫?cái)嚢?.5 h，混合均勻后加入適量脫泡劑，抽真空脫除氣泡，再倒入模具按照以下程序固化：90 ℃/2 h+110 ℃/2 h（樣板1，此后稱為S1），110 ℃/2h+140 ℃/2h（S2），110 ℃/2h+140 ℃/2h（S3），110 ℃/2h+140 ℃/2h（S4），110 ℃/2h+140 ℃/2h（S5），S5 由于碳納米管分散不均造成宏觀孔洞缺陷，后續(xù)不予測試。

2.3.2 聲發(fā)射檢測

采用美國PAC 公司的PCL-2 聲發(fā)射檢測設(shè)備對上述四種試樣進(jìn)行檢測，將發(fā)射信號傳感器放在A 的位置，接收信號傳感器放在B/C 位置，收集信號之后，對信號進(jìn)行處理。

圖1 聲發(fā)射檢測示意圖

2.3.3 力學(xué)性能

材料的彈性、韌性等力學(xué)性能參數(shù)可通過拉伸試驗(yàn)測得，拉伸強(qiáng)度反映出材料自身對力的承受能力，斷裂伸長率是指在外力作用下，聚合物的大分子鏈發(fā)生運(yùn)動，一定程度上能反映出材料自身的韌性。本實(shí)驗(yàn)對以上試樣進(jìn)行拉伸測試，對其力學(xué)性能進(jìn)行表征。

3 測試部分

3.1 聲發(fā)射檢測不同固化溫度的影響

不同的固化溫度會影響固化反應(yīng)的過程、固化反應(yīng)的速度以及轉(zhuǎn)化率，所以在對環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)臏囟?，以便獲得良好的交聯(lián)度。本實(shí)驗(yàn)選定S1（后固化110℃）、S2（后固化140℃）兩塊樣板，發(fā)射信號傳感器放于A點(diǎn)，接收信號傳感器放于B 點(diǎn)，利用聲發(fā)射分析固化溫度對環(huán)氧樹脂固化程度的影響。

3.2 聲發(fā)射檢測碳納米管的加入量的影響

本實(shí)驗(yàn)選定S2（0%wt CNTs）、S3 （0.5%wt CNTs）、S4（1.0%wt CNTs）三塊樣板（由于1.5%wt CNTs 濃度太大分散不均，制成樣板失敗），發(fā)射信號傳感器放于A 點(diǎn)，接收信號傳感器放于B 點(diǎn)，利用聲發(fā)射分析CNTs 的加入量不同對環(huán)氧樹脂固化程度的影響。

3.3 聲發(fā)射檢測不同測試位置的影響

本實(shí)驗(yàn)選定S1、S2、S3、S4 四塊樣板，發(fā)射信號傳感器放于A 點(diǎn)，接收信號傳感器放于B 或C 點(diǎn)，利用聲發(fā)射分析不同檢測位置對接收到的信號的影響。

3.4 力學(xué)性能表征

試樣的拉伸測試按照GB/T 2567-2008（樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法）標(biāo)準(zhǔn)，在電子拉力試驗(yàn)機(jī)上測試，將上述樣板制成規(guī)格為200mm*10mm*4mm 的啞鈴形狀，拉伸速度為2mm/min，每組測試選擇5 個(gè)試樣，取平均值作為最終的測試結(jié)果。

圖2 拉伸試樣圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 不同固化溫度對聲發(fā)射信號的影響

純樹脂分別在110℃和140℃的固化溫度下，檢測到的聲發(fā)射信號的上升時(shí)間相差不大，說明不同溫度處理下的環(huán)氧樹脂對聲發(fā)射信號傳播速度影響不大。這是由于在相同固化時(shí)間下兩種固化溫度，生成的主體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相差不大，因此上升時(shí)間相差不大。

4.2 碳納米管的含量對聲發(fā)射信號的影響

隨著CNTs 加入量的增加，聲發(fā)射儀器收集到的聲發(fā)射信號振幅逐漸下降，這是因?yàn)椴ǖ膫鞑ナ峭ㄟ^介質(zhì)的振動來傳遞的，不同類型的介質(zhì)的作用力是不同的，從而導(dǎo)致振幅不同，即使在均勻的介質(zhì)中，隨著波的傳播，幅度也會減少。隨著CNTs 的加入，多壁碳納米管在開始形成的時(shí)候，層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，這些缺陷會導(dǎo)致能量的耗散。另一方面CNTs 具有很大的比表面積，這使得CNTs 具有良好的吸波性能。

CNTs 含量為1% wt 的復(fù)合材料的聲發(fā)射信號能量最低，較多的界面使得彈性波在傳播過程中消耗的能量較多。

4.3 不同檢測位置對聲發(fā)射信號的影響

根據(jù)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，低溫處理的純環(huán)氧樹脂和碳納米管加入量為0.0%和0.5%和1%時(shí)在B 位置測試的聲發(fā)射信號振幅比C 位置測試的聲發(fā)射信號振幅在相同的時(shí)間下要高很多，每種工藝處理?xiàng)l件下，B 位置的衰減時(shí)間要比C 位置長，這是因?yàn)槁暡ǖ膫鞑バ枰橘|(zhì)，其中大量粒子在平衡位置附近做機(jī)械振動，粒子之間存在內(nèi)部摩擦，因此聲波的一部分機(jī)械能可以轉(zhuǎn)換為內(nèi)部能量并被材料吸收。

四種樣板上升到最大幅值所需要的時(shí)間不同，B 位置的上升時(shí)間高于C 位置，因?yàn)锽 的振幅高于C，振幅越高，上升時(shí)間越長，且聲發(fā)射信號波在AB 段的能量值明顯高于AC段，因?yàn)榫嚯x越遠(yuǎn)，損耗越大。

4.4 力學(xué)性能測試

從S1 和S2 對比，高溫固化的環(huán)氧樹脂強(qiáng)度更高，且斷裂伸長率更大，高溫可使環(huán)氧樹脂固化地更完全，S2、S3、S4 對比來看，CNTs 的添加顯著提高了環(huán)氧樹脂的韌性，CNTs 的添加量為0.5%wt 時(shí)，斷裂伸長率從1.89%增加到2.21%，而同時(shí)強(qiáng)度值也有所提高，從75.49MPa 增加至78.56MPa，可見CNTs 的加入提高了環(huán)氧樹脂的韌性，起到了增韌效果，但添加量為1%wt 時(shí)強(qiáng)度和斷裂伸長率又有所下降，可以進(jìn)行后續(xù)測試探究最佳的CNTs 的加入量。

5 結(jié)論

5.1 不同的固化溫度會影響固化反應(yīng)的歷程、固化反應(yīng)的速率以及最終的轉(zhuǎn)化率，所以在對環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)臏囟?。本?shí)驗(yàn)在140℃固化溫度下收集到的聲發(fā)射信號能量比110℃高，衰減時(shí)間也更長。

5.2 對于復(fù)合材料來說，界面很重要，它影響著碳納米管優(yōu)異性能的充分發(fā)揮。本實(shí)驗(yàn)制備了CNTs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0%、0.5%和1.0%的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，通過對其聲發(fā)射信號的檢測，發(fā)現(xiàn)隨著加入量的增加，聲發(fā)射儀器收集到的聲發(fā)射信號振幅逐漸下降。

5.3 聲波的振幅會隨著聲波穿過材料而衰減。因此，在傳感器處記錄的振幅取決于傳感器距發(fā)射源的距離。在距離較近的聲發(fā)射信號檢測點(diǎn)，測得的聲發(fā)射信號的能量、幅值和衰減時(shí)間都比較高。

5.4 從力學(xué)性能來看，碳納米管的加入提高了環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度和斷裂伸長率，佐證以上結(jié)論，但最佳的碳納米管的加入量仍需進(jìn)一步探究。