環(huán)氧樹脂是由具有還氧基的化合物與多元羥基化合物(雙酚A、多元醇、多元酸、多元胺)進(jìn)行縮聚反應(yīng)而制得的產(chǎn)品[1]。它適用于多種成型工藝,可配制成不同的配方,可調(diào)節(jié)粘度范圍大,貯存壽命長;固化時(shí)不釋放揮發(fā)物,固化收縮率低,固化后的制品具有極佳的尺寸穩(wěn)定性、良好的耐熱性、耐濕性和高的絕緣性。但因其固化物質(zhì)脆,抗開裂性能、抗沖擊性能較低,使其應(yīng)用受到了一定限制[2-3]。若以環(huán)氧樹脂為基體,通過填加不同的增強(qiáng)材料制成不同的復(fù)合材料,則可使其性能得到大幅度改進(jìn)[4]。玻璃纖維由于性能優(yōu)良,成本低廉,研究較早,故其應(yīng)用已處于相對(duì)較成熟的階段[5-6]。本文通過連續(xù)玻璃纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合而制得單向復(fù)合材料板,對(duì)復(fù)合材料的相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行研究,為此種復(fù)合材料的進(jìn)一步應(yīng)用和性能的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)材料與方法

選用E54和TDE85環(huán)氧樹脂體系及南京玻纖院生產(chǎn)的S2無堿高強(qiáng)玻璃纖維為原料,加入固化劑咪睉,利用金屬模壓成型工藝制得所需復(fù)合材料試樣。材料成型工藝參數(shù):120℃/2 h+160℃/4 h。利用WDW3300型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣相關(guān)力學(xué)性能。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　復(fù)合材料的彈性模量分析

以環(huán)氧樹脂澆注體為參照,當(dāng)基體中填加不同體積分?jǐn)?shù)的玻璃纖維后,所得復(fù)合材料試樣的彈性模量變化如圖1所示。

　　

 

復(fù)合材料中各結(jié)構(gòu)單元所起的作用不同?；w類似隔膜,能將增強(qiáng)體分隔開來,主要用于固定和黏附增強(qiáng)體,并將所受的載荷通過界面?zhèn)鬟f到增強(qiáng)體上。增強(qiáng)體被均勻地分散于基體中,主要用來承受載荷,降低復(fù)合材料被破壞的幾率,提高材料的使用性能,延緩其使用壽命[7]。

由以上數(shù)據(jù)可見,當(dāng)玻璃纖維體積含量為30%時(shí),雖然復(fù)合材料的彈性模量有所增加,但增加幅度并不大,這主要是因?yàn)楫?dāng)纖維數(shù)目較少時(shí),其承擔(dān)的應(yīng)力也相對(duì)較少,并且由于纖維的加入,切斷了原來連續(xù)的基體,在樹脂中形成了一定數(shù)目的缺陷,不利于彈性模量的增加。當(dāng)纖維體積含量為50%時(shí),彈性模量增加顯著,這是因?yàn)楫?dāng)纖維增加到一定程度并均勻地分布于樹脂基體中后,纖維較好地承擔(dān)了受力作用。由于纖維和基體界面結(jié)合適中,纖維的變形受到基體的限制,同時(shí)纖維阻止基體的變形,從而使復(fù)合材料獲得很好的強(qiáng)化。

2.2　復(fù)合材料的強(qiáng)度分析

圖2、圖3為不同玻璃纖維含量的復(fù)合材料縱向拉伸強(qiáng)度和縱向壓縮強(qiáng)度變化曲線,可以看出,隨著纖維含量的增加,復(fù)合材料的縱向拉伸強(qiáng)度和縱向壓縮強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì),且當(dāng)纖維含量為50%時(shí)材料的強(qiáng)度值均高于纖維含量為30%時(shí)的材料強(qiáng)度值。

　　

 

在本試驗(yàn)所制復(fù)合材料中,由于玻璃纖維是單向排列于樹脂基體中,所以當(dāng)纖維含量達(dá)到一定值后,當(dāng)外力由基體傳遞至纖維時(shí),由于各向異性的影響,會(huì)使力的作用方向發(fā)生變化,即主要沿纖維取向方向進(jìn)行傳遞。在一定程度上使力的作用得到分散,對(duì)復(fù)合材料的破壞作用減緩,從而使材料的強(qiáng)度得到提高。但當(dāng)纖維含量過多時(shí),部分纖維難以被樹脂充分浸潤,從而在材料中形成許多結(jié)合較弱的界面,當(dāng)材料受力時(shí),這些界面容易脫附拔出,應(yīng)力傳遞失效,使材料的性能下降[8]。鑒于前人的經(jīng)驗(yàn),本試驗(yàn)復(fù)合材料中纖維最高體積含量為50%。

　　

 

2.3　其他力學(xué)性能檢測(cè)

由以上幾組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見,當(dāng)玻璃纖維體積含量為50%時(shí),復(fù)合材料的性能較好,故對(duì)這種復(fù)合材料的其他幾種常用力學(xué)性能作進(jìn)一步檢測(cè),所得結(jié)果如表1所示。

　　

 

3　結(jié)束語

玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂單向復(fù)合材料力學(xué)性能隨著纖維含量增加而增強(qiáng),當(dāng)纖維含量較少時(shí),復(fù)合材料的性能增進(jìn)幅度不大,但當(dāng)纖維含量達(dá)到一定值后,即纖維體積含量為50%時(shí),復(fù)合材料獲得了較好的綜合力學(xué)性能,其中彈性模量可達(dá)40 GPa,縱向拉伸強(qiáng)度可達(dá)1 200 MPa,縱向壓縮模量可達(dá)700 MPa。