三维编织炭纤维-环氧复合材料的性能研究

1、收稿日期:2000207208; 修回日期:2000208214作者简介:王玉果(19752 , 女, 河北石家庄人, 博士生, 主要从事先进复合材料的试验研究工作。文章编号:100728827(2000 0420065203三维编织炭纤维 环氧复合材料的性能研究王玉果, 王玉林, 万怡灶(天津大学材料科学与工程学院, 天津300072摘要:采用真空浸渍工艺, 成功地制备了三维编织炭纤维 环氧复合材料, 并用金相显微镜对微观结构进行了观察, 发现基体与纤维间浸润良好。力学试验表明, 该材料具有良好的力学性能, 是一种极有发展潜力的复合材料。关键词:真空浸渍; 三维编织; 力学性能; 复合材料中

2、图分类号:TB 332文献标识码:A1前言三维编织复合材料是近十年来诞生的一种新型复合材料。它从根本上克服了传统层合板层间剪切强度低、易分层的特点, 不仅具有优异的力学性能, 而且还有良好的耐烧蚀性和抗损伤性1。炭纤维 环氧编织复合材料作为一种典型的先进复合材料, 具有强度高、重量轻、抗冲击、抗损伤等良好的力学性能, 在航空航天、医疗、体育等现代高科技领域显示了极大的潜能2。Chou 等研究证明三维编织结构的炭 环氧复合材料具有良好的综合力学性能3。H i 2erm er 等人4讨论了炭环氧棒型复合材料的弯曲性能及失效行为, 指出三维编织增强体比长炭纤维具有明显的增强作用, 可显著提高复合材料

3、的剪切性能和弯曲性能, 并且还有降低复合材料脆性断裂的作用。R TM 工艺, 即树脂传递模塑工艺, 是目前国内外最常用的编织结构复合材料成型方法。R TM 工艺过程简单, 但是对树脂基体和模具的要求较严, 因此其应用受到一定限制。尤其在我国, R TM 工艺还处于初级阶段5。本工作根据环氧树脂的固化特性, 采用真空浸渍+固化成型的方法, 成功地摸索出三维编织炭纤维 环氧复合材料的制备工艺, 并对其力学性能进行了实验研究, 取得了很好的研究结果。2实验2. 1实验材料基体:低粘度环氧树脂(A , 采用酸酐类固化体系(B , 配比为A B =10038。增强材料:炭纤维三维编织物, 由天津纺织工学

4、院提供。三维织物的参数见表1。表1三维织物的参数T ab le 1T he param eter of 3D b raided fab ricF iber Yarn V o lum e fracti onSecti onL engthCarbon fiber64612×210002. 2实验方法为了确定树脂体系的固化工艺, 对未固化树脂基体进行了D SC 图谱测定, 采用N ET ZSCH 2Gera . .tebau Gm bH , Germ any 公司的D SC 204Phoen ix 型示差扫描量热仪。升温范围24200, 升温速率10 m in 。复合材料的制备采用真空浇注

5、方法。先对树脂基体加热进行抽真空脱泡处理, 然后注入到预先放置三维织物的模具内, 再次抽真空脱泡。待气泡完全逸出后, 按照D SC 曲线所确定的固化工艺进行固化, 冷却后脱模即得所需试样。复合材料的弯曲性能试验(参照A STM D 790284a 标准 和剪切试验, 在DL 21000B 电子拉力实验机上进行, 加载速率为1mm m in ; 冲击试验在U 2F 简支梁冲击试验机上进行。试样尺寸均为60mm ×12mm ×12mm 。3结果与分析3. 1树脂体系固化工艺特性表2为树脂体系固化特性的D SC 分析结果。从第15卷2000年第4期12月新型炭材料N E W CA

6、 RBON M A T ER I AL S V o l . 15N o. 4D ec . 2000表2中可以看出, 该树脂体系的D SC 曲经呈现单峰固化特征, 能达到较高的固化程度。其反应开始温度为80, 反应峰温度为157。该反应产生大量的热, 必须控制反应速度, 使反应缓慢进行, 以尽可能固化完全。根据表2的数据, 确定其固化工艺为:90 2h +140 2h 。表2树脂体系固化特性的D SC 分析T ab le 2D SC analysis of resin cu ring characterInitial temperature of reacti on peakTop temper

7、ature of reacti on peakEnd temperature of reacti on peak801571953. 2复合材料微观结构分析采用金相显微镜, 对复合成型的三维编织炭纤维 环氧复合材料进行了微观分析。图1、图2分别为试样横截面和纵截面的微观结构金相照片, 从两图中可以看出材料内部纤维束之间和纤维之间均匀分布着树脂, 基本没有缺胶现象。这表明对于三维编织复合材料的成型, 真空浸渍方法是简单可行的 。图1试样横截面(a 和纵截面(b 微观结构照片(400×F ig . 1M icro structures of speci m en , (a acro ss

8、 secti on and(b perpendicular secti on3. 3复合材料的力学性能3. 3. 1弯曲性能由于三维编织复合材料是一种新型材料, 其性能试验还没有统一的标准。人们研究较多的是它的拉压性能, 而对其弯曲性能的研究较少。本文参照美国A STM 标准, 初步探讨了该类材料的弯曲性能。图2是材料典型的弯曲载荷挠度曲线, 图3是材料弯曲破坏的实物照片 。图2三维编织炭纤维 环氧复合材料弯曲曲线F ig . 2F lexural curve of 3D braided carbon fiber epoxy compo site图3试样弯曲破坏的实物照片F ig . 3P r

9、acticality pho tograph of flexural destructi on由图2可见, 在连续加载的初始阶段, 曲线是线性的, 即试样弯曲产生线性变形; 随着载荷的不断增加, 试样出现屈服现象(平台 ; 之后试样又呈近似线性变形, 达峰值后载荷缓慢下降直至破坏。从图2还可以看到材料弯曲破坏时载荷并没有急剧下降, 而是缓慢下降, 这说明炭纤维三维织物起到了有效的增强增韧作用, 因为复合材料破坏时没有发生突然断裂, 证明该材料的韧性较好。其弯曲强度、弯曲模量分别为357M Pa 和22GPa 。3. 3. 2剪切性能三维编织复合材料因其独特的编织结构, 在剪切试验中并没有发生分

10、层破坏, 而是发生整体性破坏, 因此其剪切强度较高, 为277M Pa 。3. 3. 3冲击性能良好的抗损伤性是三维编织复合材料的突出特点。在冲击试验中, 试样没有发生整体性断裂, 只是略有弯曲, 其形状与图3大体相似。这同样表明该材料的韧性极好, 在冲击过程中可吸收大量的冲击功,其冲击强度为153KJ m 2。由以上分析可知, 三维编织炭纤维 环氧复合材料的力学性能良好。其弯曲强度与T i 2A l 2V 合金(380M Pa 相当, 已超过不锈钢的弯曲强度(280M Pa 6; 其剪切强度和冲击强度也较高, 是一种综合性能优良的结构复合材料。4结论(1 采用真空浸渍+固化成型工艺制备三维编

11、织炭纤维 环氧复合材料简单可行, 基体与增强体间的结合良好。(2 三维编织炭纤维 环氧复合材料, 具有很好的综合力学性能, 是一种高级先进复合材料, 其应用前景广阔。参考文献:1肖丽华, 杨桂. 三维编织多功能结构复合材料的发展J. 复合材料学报, 1994, 11(2 :23227.2Chou F W , Ko F W . T extile structure compo site , compo sitem aterials series M . Am sterdam :E lsevier Science Publishers B V , 1989.3Shen Chou , Hong Ch

12、u , Hong 2En Chen . Effect of w eavestructure on m echanical fracture behavi o r of th ree 2di m ensi onal carbon fiber fabric reinfo rced epoxy resin compo sites J . Compo s Sci T echno l , 1992, 45:23235.4H ierm er T , Schm itt 2T hom as Kh G , Yang Z G . M echanicalp roperties and failure behavi

13、o r of cylindrical CFR P 2I mp lant 2rods under to rsi on load J . Compo sites , 1998, 29A :145321461.5顾媛娟, 梁国正, 蓝立文, 等. 高性能复合材料的树脂传递模塑技术J . 材料导报, 1995, 2, 71274.6Kettunen J , M akela A , M iettinen H , et al . M echanical p rop 2erties and strength retenti on of carbon fiber 2reinfo rced liquid cry

14、stalline po lym er (L CP CF compo site :an experi m ental study on rabbits J . B i om aterials , 1998, 19:121921228.STUDY ON M ECHAN I CAL PROPERT IES OF 3D BRA I D EDCARB ON F IBER EPOXY COM POSITEW AN G Yu 2guo , W AN G Yu 2lin , W AN Y i 2zao(Colleg e of M aterials S cience and E ng ineering , T

15、ianj in U niversity , T ianj in 300072, Ch ina ABSTRACT :A 3D b raided carbon fiber epoxy com po site w as successfu lly p rep ared u sing the vacuum i m 2p regnati on techno logy . T he m icro structu res of th is m aterial w ere studied w ith an OL Y M PU S 2BH op tical m icro scop e . It w as found that the bonding betw een the m atrix and fibers w as p erfect . T he resu lts of m e 2chan ical tests show ed that th is com po site has good m echan ical behavi o r and grea