VARI成型高性能环氧树脂基复合材料性能研究

0· 引言
      先进树脂基复合材料面临一个最突出的问题是成本过高，这在一定程度上限制了树脂基复合材料应用的进一步扩大，这一问题被公认是该领域亟待解决的首要问题［1，2］。
      要降低先进树脂基复合材料的成本，必须要有一种低成本的复合材料成型技术。VARI 工艺( 真空灌注工艺) 是近年来飞速发展的一种低成本高效率的复合材料成型技术［2，3］，该工艺具有许多优点: 增强材料可设计性强，结合纤维编织及预成型可制造复杂形状的制件; 模具结构简单，制造成本低; 复合材料结构件易于实现局部增强; 无需冷冻运输和储存等。
      VARI 工艺需要有适合其工艺特点的树脂体系，笔者曾以缩水甘油醚型环氧和酸酐为基础设计了一种中温固化环氧体系［4］，经测试表明: 该树脂体系具有良好的工艺性能、力学性能和较低的吸湿率，适合用作液态成型工艺。
      本文采用该环氧树脂VARI 工艺制备了高性能碳纤维复合材料，并进一步研究了该树脂基复合材料的基本力学性能，湿热环境性能及冲击损伤性能，为该树脂体系复合材料的应用打下基础。
      1 ·实验部分
      1. 1 原料和仪器
      环氧树脂体系，自制，详见文献［4］。碳纤维织物U3160，威海拓展纤维有限公司; 材料试验机: INSTRON1195; 动态热机械分析仪: TA 公司DMA Q800。
      1. 2 复合材料力学性能试样制备与测试
       本文采用VARI 工艺( 真空灌注工艺) 制备了高性能碳纤维复合材料，复合材料的纤维体积分数在60%左右。复合材料成型固化工艺为: 110 ℃ /1 h+ 140 ℃ /2 h。复合材料力学性能试样的制备及测试标准如表1所示。
             
       1. 3 湿热性能测试
       复合材料固化成型之后，对复合材料的耐热性能及耐湿热性能进行了测试，其中，DMA 试样大小为60 mm × 10 mm × 2 mm，测试时，实验设备的升温速率为5 ℃ /min。
       2· 结果与讨论
       2. 1 环氧树脂基体性能
      通过实验研究表明，该环氧树脂基体具有较优异的综合性能。一方面，该树脂在40 ～ 50 ℃下即可获得较低的粘度，且工艺期很长( ＞ 8 h) ，可以用来制作大尺寸复合材料结构件，具有良好的工艺性能; 另一方面，该树脂具有优异的力学性能，不仅韧性好，而且强度也较高。表2给出了环氧树脂基体的物理及力学性能。

       2. 2 复合材料基本力学性能
        该环氧树脂基复合材料的制备采用VARI 工艺，纤维体积分数为60%。表3 给出了环氧树脂/U3160 复合材料的基本力学性能。

       从表3 可以看出，该树脂复合材料0°拉伸强度可达1 745 MPa，拉伸模量为122 GPa，且数据稳定性较好，与热压罐成型复合材料力学性能相近; 且复合材料的压缩强度与弯曲强度也达到了热压罐成型复合材料的水平，只是在复合材料的层间性能上，该树脂基复合材料的层间剪切强度为79. 8 MPa，较热压罐成型复合材料低一些。这是由VARI 成型工艺特点所决定的，VARI 工艺所采用的树脂体系要求具有很低的粘度，因此树脂的韧性较预浸料树脂的韧性差，因而造成复合材料的层间性能要弱一些［5］。从力学性能测试结果来看，除了层间剪切性能，采用VARI 工艺成型的复合材料可以达到与热压罐成型复合材料力学性能相接近的水平，而VARI 工艺成型复合材料的成本要低得多，对于价格高昂的高性能航空复合材料来讲，VARI 成型工艺具有很大的成本优势。
      2. 3 复合材料湿热性能
      实验所采用环氧树脂基体具有良好的耐湿热环境性能，该树脂的饱和吸湿率为0. 65%。实验进一步测试了环氧树脂/U3160 复合材料的湿热环境性能，将复合材料试样浸泡在90 ℃水中，经60 h后，复合材料的吸湿率为0. 40%，经85 h，复合材料的吸湿基本达到饱和，吸湿率为0. 45%，表明该环氧树脂基复合材料具有很低的吸湿率。实验还测试了复合材料吸湿前后的DMA 曲线，如图1和图2 所示。
              
       从图1 和图2 可以看出，复合材料在吸湿前Tg( 玻璃化转变温度) 为145. 1 ℃，储能模量起始下降温度T0( 热变形温度) 为129. 9 ℃，经饱和吸湿后，Tg降至134. 7 ℃，而储能模量起始下降温度T0降至120. 4 ℃，从吸湿前后的数据对比中可以看出，吸湿后，复合材料的耐热性下降10 ℃左右，而一般的环氧树脂基复合材料，经饱和吸湿后耐热性会下降20 ～ 50 ℃左右。对于结构复合材料而言，其应用常常受到使用环境的制约，复合材料具有良好的耐湿热环境性能，对于复合材料性能的稳定性具有重要的意义。综合复合材料的吸湿率和吸湿前后的耐热性能数据，可以看出，该环氧树脂基复合材料具有较低的吸湿率，经吸湿后耐热性能降低幅度较小，表明该环氧树脂基复合材料具有良好的耐湿热环境性能。
       2. 4 复合材料抗冲击性能
       实验采用VARI 工艺按照ASTM D7136 标准制备了3288 /U3160 复合材料CAI ( 冲击后压缩) 试样，并分别采用4. 45 J /mm 和6. 67 J /mm 的冲击能量进行冲击实验，经冲击后，复合材料的内部损伤如图3 所示，冲击后试样的损伤情况及强度如表4所示。
                   
 
      从C 扫图中可以看出，随着冲击能量从4. 45J /mm 增加到6. 67 J /mm，复合材料试样的凹坑深度、损伤面积及背面裂纹长度都有明显的提高，复合材料压缩强度则有一定程度的下降。对航空级复合材料，一般用冲击后剩余压缩强度( CAI) 来度量复合材料体系的韧性，在NASA 标准文件中，通过CAI 对复合材料进行了分类或划代［6］: 脆性复合材料的CAI 一般低于138 MPa; 弱韧化改性树脂基复合材料的CAI 值大约为138 ～ 192 MPa; 韧性树脂基复合材料的CAI 值大约为193 ～ 255 MPa; 高韧性树脂基复合材料的CAI 值一般应高于256 MPa。
      根据这个标准，可以看出，该环氧树脂基碳纤维复合材料体系属于韧性级别，对于液态成型工艺来讲，已经具有非常好的韧性; 而通过采用复合材料层间增韧结构设计，能够进一步提高该树脂基复合材料的韧性，有可能使其达到高韧性级别。
       3 ·结论
      本文采用VARI 工艺制备了高性能环氧树脂基碳纤维复合材料，通过对该复合材料的力学性能、湿热性能及冲击损伤性能的一系列研究，结论如下:
      1) 采用VARI 工艺成型的复合材料可以达到与热压罐成型复合材料力学性能相接近的水平，而VARI 工艺成型复合材料的成本要低得多。
      2) 该环氧树脂基复合材料具有较低的吸湿率，经吸湿后耐热性能降低幅度较小，具有良好的耐湿热环境性能。
      3) 该环氧树脂基碳纤维复合材料体系属于韧性级别，而通过采用复合材料层间增韧结构设计，有可能使其达到高韧性级别。
      综上所述，笔者研制了一种中温固化高性能环氧树脂体系，可采用VARI 工艺完成复合材料的制造，该复合材料具有制造成本较低、力学性能良好、耐湿热环境性能优异的特点，且复合材料达到韧性级复合材料的水平，为VARI 工艺成型复合材料在航空领域的应用打下基础。