研究了环氧树脂(EP)/玻璃纤维(GF)复合材料的力学性能。结果表明,EP/GF复合材料的常规性能和 耐热性较好,夹层结构的滚筒剥离强度高,树脂具有韧性,扫描电镜分析发现复合材料界面粘接情况良好。该预浸 料已用于直升机次承力结构。
环氧树脂(EP)是优良的热固性树脂。它与目 前大量应用的不饱和聚酯(UP)树脂相比,具有更优 良的力学性能、电绝缘性、耐化学药品性、耐热性和 粘合性能。众所周知,在国内,EP除用作粉末涂料、 地坪、封装料、粘合剂等以外,在纤维增强复合材料 领域中更是大显身手。EP/玻璃纤维(GF)复合材 料是目前研究比较成熟、应用最广的一种复合材料。 EP/GF复合材料具有质量轻、强度高、模量大、耐腐 蚀性好、电性能优异、原料来源广泛、工艺性好、加工 成型简便、生产效率高等特点,并具有材料可设计性 及特殊的功能性如屏蔽电磁波、消音等特点,现已成 为国民经济、国防建设和科技发展中无法代替的重 要材料,如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机 雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用 品、各类耐高温制品及近期报道的性能优异的轮胎 帘子线等。
本研究采用牌号为3233的中温固化EP,其具 有固化温度低、成型周期短、贮存期长等特点,固化 温度为100~150℃,固化时间为1.0~1.5h,预浸 料贮存期为常温下1个月,-18℃下1年[2]。该树 脂是一种粘度较高的潜伏性固化树脂,其固化反应 比较缓慢,适用于不同升温速率和不同加压点的成 型工艺;具有自熄性,使用温度为80℃,以其自粘特 性可直接用于蜂窝或泡沫塑料夹层结构,铝-铝剪 切强度大于30MPa(按GB7124-1986测试)。其 树脂预浸料可直接与蜂窝结构复合制造夹层结构, 不使用胶膜,能形成胶瘤,简化工艺过程、使复合材 料的结构轻量化,适合于制造大面积蜂窝夹心结构 次承力件和舱内结构件。该树脂浸渍GF、碳纤维 (CF)、芳纶纤维及其织物制备的预浸料,外观均匀、 粘性适中、工艺性好。树脂及其复合材料的性能类 似于国外在直升机上广泛使用的Ciba公司的145.4 和Hexcel公司的F155中温固化树脂[3]。该树脂还具有良好的冲击性能及耐湿热老化性能,固化工艺 参数适应性强,易于实现与其它树脂的配合使用。 另外,其合适的粘性可满足对复杂复合材料结构件 铺贴工艺的要求。
本研究采用自己研制、并已应用于直升机结构 件的中温固化EP浸渍牌号为120的GF布,制备了 复合材料层压板,讨论了其各项性能。其预浸料蜂 窝夹层结构滚筒剥离强度高,可直接与蜂窝或泡沫 结构胶接,一次固化成型,不需要胶膜,可用热压罐、 真空袋和模压法成型制件,已应用于航空结构件,如 发动机进气道、舱内的座椅等,能实现结构轻量化, 并且性能良好,不易分层。
1 实验部分
1.1 主要原料
EP:3233,符合Q/6S1517-2000,自制; GF布:120,其物理性能见表1,法国Hexcel公 司。
1.2 仪器、设备
热熔预浸机:自制;
旋转粘度仪:BrookfieldDV-Ⅰ型,美国 BrookfieldEngineeringLABS公司;
电子式万能试验机:WDS-100型,济南试验机 制造厂;
动态机械热分析仪:PL-IIIDMTA型,美国流 变科学公司;
扫描电子显微镜(SEM):AMRAY-1000B型, 中科院科学仪器研制中心。
1.3 试样制备
(1)预浸料的制备
3233EP体系既适合湿法又适用于热熔法预浸 工艺。本研究采用热熔二步法(第一步采用胶膜机 制备热熔胶膜;第二步采用预浸机使胶膜浸渍纤维 或织物)预浸工艺制备预浸料。预浸料的物理性能 满足表2要求。
(2)层压板的制备
根据模具尺寸裁剪预浸料并铺贴。制备常规力 学性能测试用层合板时,将一定层数铺贴好的预浸 料按经向铺贴好的坯件放入涂有脱模剂(或覆有隔 离膜)的模具内,用限位条控制厚度,采用模压法制 造层合板。分别按标准中的工艺参数固化成型,自 然冷却至60℃以下,卸压出模。
(3)夹层板的制备
EP/GF复合材料滚筒剥离强度试样为铝蜂窝 夹层结构。试样用芯材为NA-G5铝蜂窝,厚度为 16mm;上下面板铺层对称铺贴,每面各铺贴5层预 浸料;玻璃布的经向与试件最大尺寸及蜂窝的L方 向平行,纬纱面与蜂窝接触。将组装好的真空袋放 入烘箱内,升温并抽真空,真空度为0.08~0. MPa,以1.5~3℃/min的升温速率升到125℃,在 (125±5)℃下保温2h,自然冷却至60℃以下取出。
1.4 性能测试
预浸料及复合材料层压板的外观通过目测; 预浸料单位面积质量和树脂含量按JC/T78 -1996测试;
挥发分含量按JC/T776-1996测试;
弯曲性能按GB/T1449-1983测试;
层间剪切强度按JC/T773-1996测试;
拉伸性能按GB/T1447-1983测试;
压缩性能按GB/T5258-1985测试;
滚筒剥离强度按Q/6S1145-1994测试;
纵横剪切性能按GB/T3355-1982测试;
拉伸剪切强度按DHN1.015-240测试。
2 结果与讨论
2.1 EP/GF布预浸料的物理性能
EP/GF布预浸料是通过2步热熔胶膜法制备,工艺参数主要有纤维张力、速率、浸渍温度、压力等。 若浸渍速率快,则浸渍时间短,要求浸渍温度高和压 力大;而浸渍温度高时树脂粘度小,在压力下容易浸 透增强材料,但其温度过高,辊压时树脂因粘度低而 横向流动,导致树脂含量不均匀或树脂含量降低,并 可能影响预浸料的贮存期。通过试验发现在涂胶温 度为70℃、涂胶速率为4m/min、浸渍速率为2m/ min、浸渍温度为90℃、各辊间距恒定时,可得到符 合标准指标的预浸料。预浸料的外观均匀平整、无 干纱、粘性适中,其物理性能见表3。
从表3可见,预浸料的物理性能满足指标要求, 并且外观和工艺性良好,可满足复杂曲面制件对预 浸料柔软性和粘性的要求。
2.2 EP/GF复合材料的性能
(1)EP/GF复合材料的常规性能
采用EP体系可以制备CF布、GF布和芳纶纤 维布等不同织物及单向纤维的预浸料。该料的粘性 适中、工艺性好,并可以制造复杂曲面的制件。所研 制的EP/GF复合材料层压板的力学性能见表4。
EP/GF复合材料的各项性能都较高,复合材料 的Tg为145.9℃,固化温度为125℃,故材料的耐热 性较好。铝蜂窝夹层结构具有较高的剥离强度,预 浸料可直接和蜂窝结构结合制造夹层结构,能形成 胶瘤,无需使用胶膜,简化了在预浸料和蜂窝之间采 用胶膜的复杂工艺,实现了蜂窝夹层结构的一次固 化,并能使复合材料的结构轻量化。
(2)EP/GF复合材料的湿热性能
复合材料的湿热性能除了与增强材料和树脂本 身的湿热性能有关外,还与界面的粘接强度和空隙 率有关。选择耐湿热性能好的树脂和适合的成型工 艺,能避免因增强材料的吸湿而造成的性能下降。 EP/GF复合材料的水煮和湿热老化性能见表5。
从表5可见,EP/GF复合材料的弯曲性能保持 率较高,其弯曲性能和层间剪切强度保持率比有些 CF复合材料的湿热性能高一些[4]。
2.3 EP/GF复合材料的断面形貌
图1为EP/GF复合材料层压板剪切强度破坏 试样断面的SEM照片。
从图1可看出,破坏横截面处的纤维拉出很齐, 表现出GF的特点即为脆性断裂。通常,CF和GF 复合材料在破坏横截面处纤维的断头较短、较直、较 齐。而芳论纤维本身的韧性好,断面处拔出的纤维 长并弯曲。从图1b还可以看出,在纤维表面包裹着 一层树脂,说明界面粘接性能较好。
2.4 EP/GF复合材料的应用
EP/GF布预浸料是锻纹布预浸料,并且预浸料厚度薄,可设计性强。预浸料的物理性能、工艺性能 和力学性能均可满足设计要求。其树脂基体具有较 好的韧性和阻燃性。因此EP/GF布预浸料已被应 用于直升机的桨叶表层、发动机进气道、舱内的座椅 (夹层结构)和门等多个部件。可以把EP/GF布预 浸料铺贴到制件的最外层,按一定的工艺成型,能得 到外观光滑的制件,并且能起到耐磨作用。EP/GF 布预浸料与泡沫塑料或蜂窝结构一起可制备夹层结 构,制造舱内座椅和门,不需要胶膜,从而更能实现 轻量化,并且操作方便。
采用EP/GF布预浸料和Nomex蜂窝制备的夹 层结构制件即直升机整流罩如图2所示。制件的成 型工艺简便,一次成型;固化温度低,在125℃时即 可固化。从图2可见,制件的正反面都平整光滑,没 有缺陷,尺寸和表面质量满足技术要求,已应用于直 升机。
3 结论
(1)3233EP具有较好的常规性能,树脂的耐热 性和韧性良好,所制备的预浸料的物理性能满足要 求,工艺性良好。这种预浸料夹层结构的滚筒剥离 强度高,可直接用于夹层结构,不需要胶膜。
(2)EP/GF复合材料在湿热条件下的力学性能 保持率较高,复合材料具有较好的耐湿热性能。 (3)EP/GF复合材料试样破坏断面的SEM分 析表明,EP与GF的粘接性良好。
(4)EP/GF预浸料可制备制件的表层或夹层结 构,已应用于直升机结构件。
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