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三维编织炭纤维环氧复合材料的性能研究汇总
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(20000420065203
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;复合材料中图分类号:
TB332 文献标识码:
A
1 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]。
Hi2
ermer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。
RTM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。
RTM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,RTM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=100∶38。
增强材料:
炭纤维三维编织物,由天津纺织工学院提供。
三维织物的参数见表1。
表1 三维织物的参数
Table1 Theparameterof3Dbraidedfabric
FiberYarnVolumefraction
Section
Length
Carbonfiber
6
46
12×21000
2.2 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DSC图谱测定,采用NETZSCH2Gera..
tebauGmbH,Germany公司的DSC204Phoenix型示差扫描量热仪。
升温范围24℃~200℃,升温速率10℃min。
复合材料的制备采用真空浇注方法。
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DSC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ASTMD790284a标准和剪切试验,在DL21000B电子拉力实验机上进行,加载速率为1mmmin;冲击试验在U2F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DSC分析结果。
从
第15卷2000年第4期12月 新 型 炭 材 料NEWCARBONMATERIALS
Vol.15 No.4
Dec.2000
表2中可以看出,该树脂体系的DSC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DSC分析
Table2 DSCanalysisofresincuringcharacter
Initialtemperatureofreactionpeak
Toptemperatureofreactionpeak
Endtemperatureofreactionpeak
80
157
195
3.2 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×
Fig.1 Microstructuresofspecimen,(aacrosssectionand
(bperpendicularsection
3.3 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ASTM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
Fig.2 Flexuralcurveof3Dbraidedcarbonfiberepoxycompo
site
图3 试样弯曲破坏的实物照片
Fig.3 Practicalityphotographofflexuraldestruction
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357MPa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层破坏,而是发生整体性破坏,因此其剪切强度较高,为277MPa。
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153KJm2
。
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Ti2Al2V合金(380MPa相当,已超过不锈钢的弯曲强度(280
MPa[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
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.
[2] ChouFW,KoFW.Textilestructurecomposite,composite
materialsseries[M].Amsterdam:
ElsevierSciencePublishersBV,1989.
[3] ShenChou,HongChu,Hong2EnChen.Effectofweave
structureonmechanicalfracturebehaviorofthree2dimensionalcarbonfiberfabricreinforcedepoxyresincomposites[J].ComposSciTechnol,1992,45:
23235.
[4] HiermerT,Schmitt2ThomasKhG,YangZG.Mechanical
propertiesandfailurebehaviorofcylindricalCFRP2Implant2rodsundertorsionload[J].Composites,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.
[6] KettunenJ,MakelaA,MiettinenH,etal.Mechanicalprop2
ertiesandstrengthretentionofcarbonfiber2reinforcedliquidcrystallinepolymer(LCPCFcomposite:
anexperimentalstudyonrabbits[J].Biomaterials,1998,19:
121921228.
STUDYONMECHANICALPROPERTIESOF3DBRAIDED
CARBONFIBEREPOXYCOMPOSITE
WANGYu2guo, WANGYu2lin, WANYi2zao
(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin 300072,China
ABSTRACT:
A3Dbraidedcarbonfiberepoxycompositewassuccessfullypreparedusingthevacuumim2pregnationtechnology.ThemicrostructuresofthismaterialwerestudiedwithanOLYMPUS2BHopticalmicroscope.Itwasfoundthatthebondingbetweenthematrixandfiberswasperfect.Theresultsofme2chanicaltestsshowedthatthiscompositehasgoodmechanicalbehaviorandgreatpotentialities.KEYWORDS:
Vacuumimpregnation;3Dbraided;Mechanicalproperties;Composite
Authorintroduction:
WANGYu2guo(19752,female,DoctorStudent,engagedintheresearchofadvancedcompositematerials.
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