1、预固化工艺对玻璃纤维/环氧树脂复合材料界面及弯曲性能影响 冯古雨 曹海建 周洪涛 钱坤 生态纺织教育部重点实验室江南大学纺织服装学院 南通大学纺织服装学院 盐城工业职业技术学院纺织服装学院 摘 要： 以 2400tex 无捻玻璃纤维粗纱为原料, 在 SGA598 型三维织机上制备出一种三维浅交弯联机织复合材料预制体, 以环氧树脂 E51 和固化剂聚醚胺 WHR-H023 以质量配合比 31 的比例组成树脂体系, 使用真空灌注成型的方法制备玻璃纤维/环氧树脂复合材料。真空灌注后, 将模具与未固化成型的复合材料进行不同时长的预固化处理, 制备出预固化工艺不同的三维浅交弯联机织复合材料。通过万能强力
2、仪、扫描电子显微镜对该复合材料的弯曲力学性能及破坏断面微观形貌进行考察, 分析不同的预固化工艺对复合材料界面及弯曲性能的影响。实验结果表明:当预固化时间为 120min 时, 制得的复合材料弯曲强度达到 675MPa, 弯曲强度较传统恒温热固化工艺提高了 75.8%, 改善效果较为明显。关键词： 预固化工艺; 复合材料; 界面性能; 弯曲性能; 作者简介：冯古雨 (1992-) , 男, 硕士, 主要从事纺织复合材料的制备及性能研究。作者简介：钱坤 (1963-) , 男, 教授, 博士生导师。主要从事轻量化复合材料的制备及应用。收稿日期：2016-06-02基金：“十三五”国家重点研发计划项
3、目 (2016YFB0303205) Influence on mechanical property and interface of E-glass fiber/epoxy resin composite by precuringFeng Guyu Cao Haijian Zhou Hongtao Qian Kun Key Laboratory of Eco-Textile of Ministry of Education, Jiangnan University; Abstract： A three-dimensional (3D) curved shallow-crossing lin
4、king reinforcement was prepared used glass roving of 2400 tex by 3D weaving machine modeled SGA598.The resin matrix was composed of epoxy resin E51 and polyether amine WHR-H023 in a mass ratio of 31, 3 Dcurved shallow-crossing linking woven composite was then made from surface-treatment reinforcemen
5、t and resin matrix by VARI method.Precuring process with different periods were applied on the composites.Universal material testing machine and scanning electron microscope (SEM) were used to characterized the influence of precuring process on the interface between reinforcement and resin and flexu
6、ral property.The results showed that flexural stress of composites remained unchanged after increase first with precuring process periods increased.Compared with the composites without through precuring process, with 120 min precuring process, the flexural stress was increased by 75.8%.The interface
7、 between reinforcement and resin was improved with increasing precuring process periods.Keyword： precuring process; composites; interface; flexural property; Received： 2016-06-02三维浅交弯联机织复合材料是近年来出现的以新型三维浅交弯联机织物作为增强体, 环氧树脂作为基体的一种纤维增强复合材料1-2。与传统的层合板结构相比, 三维浅交弯联机织复合材料中屈曲程度更大的经纱在厚度方向增强了复合材料的力学性能, 表现出更加出色
8、的层间性能3-5, 由于其耐冲击、不易分层且耐酸、耐碱和耐腐蚀的特性, 一经问世便在建筑、交通、国防和航天航空等领域受到了广泛的关注6。传统的玻璃纤维/环氧树脂复合材料的固化方法是通过烘箱加热的方式, 提高环氧树脂中环氧基团开环交联的速度, 使复合材料交联固化7-10, 由于固化成型后的冷却过程中两种材料的收缩率不同, 复合材料的界面性能不能充分发挥11。本研究在传统玻璃纤维/环氧树脂复合材料的固化方法的基础上增加了预固化工艺。考察经过不同时间的预固化处理后, 复合材料的弯曲性能差异及预固化工艺对玻璃纤维/环氧树脂复合材料界面及力学性能的影响。1 实验部分1.1 机织物制备设计了六层三维浅交弯
9、联结构。该结构一个组织循环内经纱根数为 10 根, 纬纱根数为 12 根。六层三维浅交弯联机织物纹板图见图 1。图 1 六层三维浅交弯联机织物纹板图 下载原图以无捻玻璃纤维粗纱 (2400tex, 山东泰山玻璃纤维有限公司) 为原材料, 采用三维剑杆织样机 (SGA598 型, 江阴通源纺机有限公司) 进行制造。将设计的织物纹版图输入织机控制系统。由于使用的纱线较粗, 送经系统选用筒子架送经方式, 为保证经纱张力一致, 正经时采用“8”字形整经法;顺穿法穿过棕框, 一筘一穿穿过刚筘, 减少在制造过程中的经纱摩擦, 防止纱线起毛。制造工艺参照参考文献12进行。织造参数及制备出的三维浅交弯联机织物
10、结构参数见表 1。表 1 三维浅交弯联机织物结构参数 下载原表 1.2 复合材料制备1.2.1 树脂基体配制采用环氧树脂 (凤凰牌 E-51 型, 无锡树脂厂) 和固化剂聚醚胺 (WHR-H023 型, 无锡树脂厂) 以质量配合比为 31 均匀混合, 配制成树脂胶液。1.2.2 复合成型采用真空灌注成型工艺制备复合材料, 将树脂基体放入真空桶中进行 30min 的真空脱泡处理。依次将真空袋、导流网、隔离毡、脱模布铺在预制体上、下表面, 导流管、螺旋管平铺在预制体两端, 并用密封胶条将真空袋密封, 形成真空灌注环境。将一端的导流管插入树脂基体中, 另一端导流管与真空泵连接, 在-75kPa 的真
11、空度下, 进行真空灌注成型。将完成灌注的复合材料与真空模具一同放入烘箱内, 以 40的温度进行 0、20、40、60、90 和 120min 的预固化处理。将半硬化的复合材料取出, 在不破坏复合材料的条件下去除其外面的真空模具, 将复合材料放入 70的烘箱中, 经过 10h 的固化过程, 取出复合材料。根据国标 GB/T 14492005 (纤维增强塑料弯曲性能试验方法) 13切割成尺寸为 126mm15mm6.3mm 的试样, 备用。1.3 性能测试1.3.1 弯曲性能测试采用万能材料试验机 (万能强力仪, 3385H 型, 美国 Instron 公司) 对复合材料弯曲性能进行测试, 分析不
12、同预固化工艺对复合材料弯曲力学性能的影响。1.3.2 破坏形貌测试采用扫描电子显微镜 (SEM, SU1510 型, 日本 Hitachi 公司) 对复合材料弯曲破坏断面进行表征, 分析复合材料破坏情况及微观界面性能。2 结果与讨论2.1 弯曲应力应变分析复合材料弯曲应力应变曲线见图 2。从图可以看出, 复合材料发生弯曲形变, 弯曲应力应变曲线表现为直线上升;随着弯曲幅度增加, 复合材料与上压头接触的位置发生树脂层的错位、堆积, 出现明显的压痕, 下表面出现树脂开裂, 纤维暴露在外, 织物结构发生一定程度的拉伸变形, 应力应变曲线继续上升;在弯曲载荷的作用下, 复合材料中作为主要承载体的玻璃纤
13、维相继发生断裂, 但复合材料的力学结构并未发生整体性破坏, 应力应变曲线为锯齿状下降后继续上升;当织物结构发生破坏后, 复合材料力学性能急剧降低, 这时纤维已经不能作为复合材料中的主要承载体承受载荷作用, 应力应变曲线为经过最高点后的骤降, 由于树脂基体在复合材料中作为柔性材料存在, 其力学性能并未完全丧失, 所以复合材料的弯曲应力曲线不会直接降到 0MPa。图 2 复合材料弯曲应力-应变曲线图 下载原图2.2 弯曲强度分析复合材料弯曲强度变化曲线见图 3。从图可以看出, 随着预固化时间的增加, 制得的复合材料弯曲强度呈现先增加后基本不变的趋势。使用传统固化方法制得的三维浅交弯联机织复合材料弯
14、曲强度为 384MPa, 分别经过 20、40、60、90和 120min 预固化处理制得的复合材料的弯曲强度分别为 502、586、627、658和 675MPa。当预固化时间为 120min 时, 制得的复合材料弯曲强度达到 675MPa, 较传统固化方式提高了 75.8%, 改善效果较为明显。由于玻璃纤维与环氧树脂体系的热膨胀系数与热敏感度均存在较大差异, 在加热时以二氧化硅等无机物为主要成分的玻璃纤维热膨胀系数较小;而高分子聚合物环氧树脂 E51 及固化剂聚醚胺 (WHR-H023) 热膨胀系数较大, 且在开环交联固化时其骨架结构由环状变为链状, 因此树脂基体体积增大较为明显。传统恒温
15、加热固化方式下, 复合材料在恒温状态下一次固化成型, 固化后复合材料内应力无法得到有效去除。冷却降温后, 树脂基体的收缩较为明显, 而玻璃纤维由于其较小的热膨胀系数冷却后体积无明显变化, 这种体积变化的差异导致复合材料中纤维与树脂的界面在内应力的作用下不能很好地结合, 形成纤维与树脂间裂痕甚至空隙。采用预固化工艺后, 预固化时树脂基体的开环交联速度减慢, 在树脂完全硬化前, 复合材料的内应力能够通过具有一定流动性的树脂基体去除。随着预固化时间延长, 复合材料中内应力逐渐减少, 纤维与树脂间界面结合得更加紧密, 在固化并冷却后树脂基体的收缩率大大减小, 纤维与树脂界面保存更加完好, 这种界面性能
16、的优化在力学性能上表现为复合材料弯曲强度的提升。图 3 复合材料弯曲强度变化曲线图 下载原图2.3 SEM 分析复合材料弯曲破坏的 SEM 图见图 4。从图可以看出, 在增加 90min 预固化工艺后, 制得的复合材料发生弯曲破坏时纤维与树脂间结合良好, 两者在承担载荷作用时未发生分离, 显示较好的界面性能。图 4 复合材料弯曲破坏的 SEM 图 下载原图三维浅交弯联机织复合材料弯曲破坏模式主要为树脂的破碎、脱落、纤维的脆断及复合材料界面的破坏。增加了预固化工艺后复合材料的界面性能得到较为明显的改善, 复合材料在承受载荷作用时, 纤维增强体与树脂基体发挥了更好的协同作用。这与复合材料弯曲性能的
17、测试结果吻合。3 结论采用三维浅交弯联机织复合材料, 采用预固化工艺与传统恒温热固化工艺在界面性能与弯曲力学性能上均有提高。随着预固化时间增加, 复合材料弯曲强度逐渐增加, 复合材料的界面性能有所改善。实验结果表明:当预固化时间为120min 时, 制得的复合材料弯曲强度达到 675MPa, 弯曲强度较传统恒温热固化工艺提高了 75.8%, 改善效果较为明显, 具有较好的应用前景。参考文献1Pan Y, Iorga L, Pelegri A A.Numerical generation of a random chopped fiber composite RVE and its elasti
18、c propertiesJ.Composites Science and Technology, 2008, 68 (13) :2792-2798. 2Meng L B, Jin G C, Yao X F, et al.3Dfull-field deformation monitoring of fiber composite pressure vessel using 3Ddigital speckle correlation methodJ.Polymer Testing, 2006, 25 (1) :42-48. 3Kepple K L, Sanborn G P, Lacasse P A
19、, et al.Improved fracture toughness of carbon fiber composite functionalized with multi walled carbon nanotubesJ.Carbon, 2008, 46 (15) :2026-2033. 4冯古雨, 曹海建, 钱坤.三维浅交弯联机织复合材料弯曲性能的有限元分析J.宇航材料工艺, 2015 (6) :22-26. 5Moroni L, De Wijn J R, Van Blitterswijk C A.3Dfiber-deposited scaffolds for tissue engine
20、ering:influence of pores geometry and architecture on dynamic mechanical propertiesJ.Biomaterials, 2006, 27 (7) :974-985. 6Taya M, Ueda N.Prediction of the in-plane electrical conductivity of a misoriented short fiber composite:fiber percolation model versus effective medium theoryJ.Journal of Engin
21、eering Materials and Technology, 1987, 109 (3) :252-256. 7袁欣, 孙慧玉.黏弹性树脂基三维编织复合材料的变温松弛模量J.航空学报, 2012, 6:1036-1043. 8杨彩云, 李嘉禄, 陈利, 等.树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究J.航空材料学报, 2006, 33 (5) :51-55. 9谭华, 晏石林.热固性树脂基复合材料固化过程的三维数值模拟J.复合材料学报, 2004, 21 (6) :167-172. 10Chou S, Chen H C, Wu C C.BMI resin composites rein
22、forced with 3D carbon-fibre fabricsJ.Composites Science and Technology, 1992, 43 (2) :117-128. 11Sadeghian R, Gangireddy S, Minaie B, et al.Manufacturing carbon nanofibers toughened polyester/glass fiber composites using vacuum assisted resin transfer molding for enhancing the mode-I delamination resistanceJ.Composites Part A:Applied Science and Manufacturing, 2006, 37 (10) :1787-1795. 12冯古雨, 曹海建, 周洪涛, 等.表面处理对三维浅交弯联机织复合材料界面及弯曲性能的影响J.宇航材料工艺, 2016 (2) :22-25. 13全国纤维增强塑料标准化技术委员会.GB/T 144920052005 纤维增强塑料弯曲性能试验方法S.北京:中国标准出版社, 2005, 371-376.
