力学大会2015集ms1005玻璃纤维空心微珠环氧树脂复合材料浸泡腐蚀前后弯曲性能

玻璃纤维-空心微珠/环氧树脂复合材料浸泡腐蚀前后的玻璃纤维-空心微珠/环氧树脂复合材料浸泡腐蚀前后的弯曲性燕山大学河北省大型装备与结构力学可靠性重点实验室，秦皇岛摘要：制备了不同纤维质量比的玻璃纤维增强空心玻璃微珠/环氧树脂复合泡表明，纤维含量越高，玻璃纤维海水浸泡后的试件弯曲性能最低。玻璃纤维关键词：空心玻璃微珠，玻璃纤维，环氧树脂，浸泡腐蚀，弯曲性中图分类号2]。环氧树脂和聚氨酯以及其他一些聚合物作为基体，空心玻璃微珠、空心陶瓷6]。有文献研究表6]。有文献研究表明，在复合泡沫材料中添加纤维可增强材料的宏观力学性能11]。例如，Ferreira等[10]制备了空心玻璃微珠及纤维混杂填充环氧树脂的复合材度和断裂韧度影响不明显，但其冲击吸能特性却有较大提高。Wouterson等[7]研影响。Nguyuen等[12]采用数值模拟的方法研究了纤维增强复合泡沫材料的弹性须考虑的一个重要环节。詹茂盛等[13]研究了单向玻纤增强环氧树脂复合材料酸雨和湿热环境下吸湿干燥循环老化行为，研究发现材料的力学性能和Tg都有明显降低。刘建华等[14]用盐雾条件模拟海洋大气环境加速玻璃纤维增强树脂基复合材料的老化试验结果表明，复合材料的力学性能随老化时间增加而下降。张艳萍等[15]通过实验究了碳纤维/环氧树脂复合材料的热氧老化情况，并分析了其机理。张晖等[16]究了环氧树脂在湿热环境中吸湿性能、力学性能及动态热力学性能随时间的化机制主要是水分子的扩散及湿热对材料的塑化作用。Ray等[17]研究了玻璃纤和碳纤维增强环氧树脂复合材料的接触界面受湿热老化的影响，研究得出湿环境可加速界面的腐蚀行为。栗晓飞等[18]通过实验研究了碳纤维/环氧树脂复此，开展此材料浸泡前后力学性能的研究，关注两类基元材料间结合界面受腐1.弯曲1.1实验材料及试件制强度为行了预处理。实验所用环氧树脂型号为与固化剂按质量比1:1配置，空心玻璃微珠的质量比为环氧树脂和固化剂总和的并充分搅拌均匀，随后再加入空心玻璃微珠，进一步搅拌均匀。然后，加入已纤维混合填充环氧树脂复合泡沫材料。在室温下固化48小时后脱模，根据实验案切割成条形小试件，再打磨平整备用。弯曲试件尺寸设计为Tab.1MaterialMatrixHollowglassSpecimenGlassfiberDensityρ/(g·cm-123450图1弯曲实验破坏试Fig.1Specimenafterflexural1.2实验过0 0 0 0 0 0 图2不同纤维质量比试件的吸湿率曲Fig.2Themoistureratecurvesofspecimenwithdifferentfibermass图2给出的是不同纤维质量比的试件在水和海水中的吸湿率随浸泡时间的化曲线。从图中可见，刚开始的一段时间，各试件的吸湿率均急剧上升。除个曲线之外，其余曲线均在3天左右时出现了较为明显的转折点，吸湿率上升势减缓。然后随着浸泡时间增加，吸湿率缓慢上升。当浸泡时间达到25天以后，条曲线上升势头进一步减缓，特别是海水浸泡的试件，曲线变化更为缓慢，说试件吸湿情况接近饱和。从图中还可明显看出，在同等浸泡时间情况下，在蒸水中浸泡的试件吸湿率高于在海水中浸泡的试件，且对于含有纤维的试件，二的差值更大。其原因可能是海水中含有大量的盐、各种离子及杂质，此类物质入试件后，一部分吸附在试件的缝隙中，对后续的进一步浸透具有一定的阻碍用。从图中还可见，随着试件中玻璃纤维含量增加，吸湿率逐渐增大，主要是2.2.1载荷位移曲图3给出的是不同纤维质量比的未腐蚀试件、受水和海水浸泡腐蚀后的试试件的弯曲性能比未腐2.2.1载荷位移曲图3给出的是不同纤维质量比的未腐蚀试件、受水和海水浸泡腐蚀后的试试件的弯曲性能比未腐蚀的试件的弯曲性能均更弱，其中，海水浸泡腐蚀后的中还可以看出，含有纤维的试件弯曲失效时的变形更小，纤维含量越高，其值泡以后的试件吸收了大量的液体，内部的填充体与基体的部分界面受到破坏，泡的现象更多，在浸泡时吸收了大量的液体导致了材料的软化效果更明显000 9100 34 7800012345012345图3不同纤维质量比试件的弯曲载荷-位移曲Fig.3Theflexural00012345012345图3不同纤维质量比试件的弯曲载荷-位移曲Fig.3Theflexuralload-displacementcurvesofspecimenwithdifferentfibermass2.2弯曲强σ=3Fm2bh式中，σ-弯曲强度 Fm-施加的最大载荷；L-跨距；b-试件宽度；h-试件厚度件的数据最为接近，说明实验数据是有效的。从图中可明显看出，纤维质量比为量增加，从而导致其弯曲强度降低。另外从图中还可看出，未浸泡的复合材料度是一致的，由于纤维含量为10%的试件的弯曲强度最大，而其密度比未添加维的增加值不多，因此其比强度明显大于其它各组配比情况。综合试件的强度比强度数值可见，在本文的几种配比中，纤维质量比为10%是相对更优的一种比情况500050 图4复合材度是一致的，由于纤维含量为10%的试件的弯曲强度最大，而其密度比未添加维的增加值不多，因此其比强度明显大于其它各组配比情况。综合试件的强度比强度数值可见，在本文的几种配比中，纤维质量比为10%是相对更优的一种比情况500050 图4复合材料的弯曲强度和比强Fig.4The(a)flexuralstrengthand(b)specificstrengthof表2给出的试件的弯曲强度数值及浸泡腐蚀后的强度损失率。表中表示在水中浸泡后的强度损失率表示在海水中浸泡后的强度损失率。从表中可见，对于未腐蚀的试件，当纤维量比为10%时，添加纤维比未添加纤维的试件，其弯曲强度增强达到51%。从中还可见，各组试件受浸泡腐蚀后，均有明显的强度损失，且无论哪组试件，海水浸泡后的强度损失率均更大。从吸湿率数值可看出，受海水浸泡的试件吸率更低，但其强度损失率却更大，其原因是在水中浸泡的试件，填充体与树脂体的界面层受到水的浸泡出现发胀、损伤情况，从而导致复合材料的强度降低但水对树脂基体、玻璃纤维和玻璃微珠腐蚀效果不明显，而海水不仅仅腐蚀了合材料中填充体与树脂基体的界面层，还对与界面层接触的周围材料有腐蚀用，特别是海水中的盐分对玻璃微珠和玻璃纤维具有较大的腐蚀作用[19]，从而致整体材料的力学性能降低。同时可见，添加纤维的复合材料，其强度损失率未添加纤维的均更低，但添加纤维的各组之间的强度损失率却并没有比较明表2弯曲强度及浸泡腐蚀强度损失率Tab.2Flexuralstrengthandstrengthloss未添加纤维的均更低，但添加纤维的各组之间的强度损失率却并没有比较明表2弯曲强度及浸泡腐蚀强度损失率Tab.2FlexuralstrengthandstrengthlossratioaftersoakcorrosionFibermassLossratio Lossratio 2.3弯曲刚E=式中，E-弯曲弹性模量，F-载荷，D-载荷点对应的位移为浸泡后试件中含有大量的水分，导致了试件的软化现象。虽然海水中浸泡的000 05 图5复合材料的弯曲刚度和比刚Fig.5The(a)flexuralmodulusand(b)specificstiffnessof图6给出的是未腐蚀及水和海水浸泡腐蚀后的试件断口扫描电镜照片。其，图6(a)为未浸泡的试件断口，图6(b)为受海水浸泡后的试件断口，图6(c)和(d)受蒸馏水浸泡后的试件断口。从图中可见，试件断口处有纤维暴露出来，也有维脱粘拔出留下的痕迹。从图6(a)可见，断口处的环氧树脂颜色均匀，纤维拔出下的痕迹光滑，纤维表面颜色均匀，只粘附有少量碎片。但从图6(b)可见，海泡腐蚀的试件断口环氧树脂颜色不均匀，有些地方颜色更深，应该是受腐蚀的果。图中还可见，纤维表面颜色深浅非常不均匀，也是因为其表面受到不同程的腐蚀作用，000 05 图5复合材料的弯曲刚度和比刚Fig.5The(a)flexuralmodulusand(b)specificstiffnessof图6给出的是未腐蚀及水和海水浸泡腐蚀后的试件断口扫描电镜照片。其，图6(a)为未浸泡的试件断口，图6(b)为受海水浸泡后的试件断口，图6(c)和(d)受蒸馏水浸泡后的试件断口。从图中可见，试件断口处有纤维暴露出来，也有维脱粘拔出留下的痕迹。从图6(a)可见，断口处的环氧树脂颜色均匀，纤维拔出下的痕迹光滑，纤维表面颜色均匀，只粘附有少量碎片。但从图6(b)可见，海泡腐蚀的试件断口环氧树脂颜色不均匀，有些地方颜色更深，应该是受腐蚀的果。图中还可见，纤维表面颜色深浅非常不均匀，也是因为其表面受到不同程的腐蚀作用，另外，纤维表面粘附有粉末状的物质，可能是海水中的盐分或者它杂质的结晶，可见该纤维与基体的界面层已经受到了海水的腐蚀破坏，并进步腐蚀了玻璃纤维和玻璃微珠，这就是复合材料的力学性能大幅度下降的原因文献[20]提出，添加硅烷偶联剂的玻璃微珠与纤维间存在一层因偶联剂而生成界面层，该界面层使得微珠与树脂基体连接效果更好，并能起到增强复合材料学性能的作用。从图6(c)中可明显的看出，纤维脱粘留下的痕迹处存在不同程的破损现象，那是该界面层受到浸泡后发胀，从而受力后即发生破坏，破坏后部分粘附到脱粘的纤维上，一部分粘附在树脂基体上。从图图6试件断口SEMFig.6ThefractureSEMphotos((a)withoutsoaking,(b)soakinginseawater,(c)and(d)soakingin4.结论有不同程度吸湿效果，纤维含量越高，吸湿率越大，且在蒸馏水中的吸湿率较（3）试件在水和海水中浸泡后，复合材料中的部分玻璃微珠和玻璃纤维与氧树脂基体间的界面层受到破坏，海水浸泡还对玻璃纤维及玻璃微珠有腐蚀参考文[1]BardellaL,GennaF.Ontheelasticbehaviorofsyntacticfoams[J].InternationalJournalofSolidsandStructures,2001,38(40-41):7235-7260.[2]卢子兴复合泡沫塑料力学行为的研究综述[J].力学进展200434(3):341-WoutersonEM,BoeyFYC,HuX,etal.Specificpropertiesandfracturetoughnessofsyntacticfoam:Effectoffoammicrostructures[J].CompositesScienceandTechnology,2005,65(11-12):1840-1850.卢子兴，邹波，李忠明，等空心微珠填充聚氨酯泡沫塑料的力学性能[J].复合材料学报2008,25(06):24(2):32-35.27(4):189-194.WoutersonEM,BoeyFYC,HuX,etal.Effectoffiberreinforcementonthetensile,fractureandthermalpropertiesofsyntacticfoam[J].Polymer,2007,48(11):3182-3191.杨继年，李子全，王静短纤维混杂增强PP复合泡沫材料的力学性能[J].复合材料学报200724(4)1-HuangYJ,WangCH,HuangYL,etal.Enhancingspecificstrengthandstiffnessofphenolicmicrospheresyntacticfoamsthroughcarbonfiberreinforcement[J].PolymerComposites,2010,31(2):256-262.FerreiraJAM,CapelaC,CostaJD.Astudyofthemechanicalbehaviouronfibrereinforcedhollowmicrosphereshybridcomposites[J].CompositesPartA,2010,41(3):345-352.WangLJ,ZhangJ,YangX,etal.Flexuralpropertiesofepoxysyntacticfoamsreinforcedbyfiberglassmeshand/orshortglassfiber[J].MaterialsandDesign,2014,55(3):929-936.NguyenNQ,GuptaN.Analyzingtheeffectoffiberreinforcementonpropertiesofsyntacticfoams[J].MaterialsScienceandEngineeringA,2010,527(23):6422-6428.詹茂盛，刘德顺玻纤增强环氧树脂复合材料的酸雨循环老化性能与机理[J].玻璃钢/复合材料2007(3):复合