環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)進行縮聚反應而制得的產品[1]。它適用于多種成型工藝,可配制成不同的配方,可調節粘度范圍大,貯存壽命長;固化時不釋放揮發物,固化收縮率低,固化后的制品具有極佳的尺寸穩定性、良好的耐熱性、耐濕性和高的絕緣性。但因其固化物質脆,抗開裂性能、抗沖擊性能較低,使其應用受到了一定限制[2-3]。若以環氧樹脂為基體,通過填加不同的增強材料制成不同的復合材料,則可使其性能得到大幅度改進[4]。玻璃纖維由于性能優良,成本低廉,研究較早,故其應用已處于相對較成熟的階段[5-6]。本文通過連續玻璃纖維與環氧樹脂復合而制得單向復合材料板,對復合材料的相關力學性能進行研究,為此種復合材料的進一步應用和性能的改進提供理論依據。

1　試驗材料與方法

選用E54和TDE85環氧樹脂體系及南京玻纖院生產的S2無堿高強玻璃纖維為原料,加入固化劑咪睉,利用金屬模壓成型工藝制得所需復合材料試樣。材料成型工藝參數:120℃/2 h+160℃/4 h。利用WDW3300型微機控制電子萬能試驗機檢測試樣相關力學性能。

2　試驗結果與分析

2.1　復合材料的彈性模量分析

以環氧樹脂澆注體為參照,當基體中填加不同體積分數的玻璃纖維后,所得復合材料試樣的彈性模量變化如圖1所示。

　　

 

復合材料中各結構單元所起的作用不同。基體類似隔膜,能將增強體分隔開來,主要用于固定和黏附增強體,并將所受的載荷通過界面傳遞到增強體上。增強體被均勻地分散于基體中,主要用來承受載荷,降低復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]。

由以上數據可見,當玻璃纖維體積含量為30%時,雖然復合材料的彈性模量有所增加,但增加幅度并不大,這主要是因為當纖維數目較少時,其承擔的應力也相對較少,并且由于纖維的加入,切斷了原來連續的基體,在樹脂中形成了一定數目的缺陷,不利于彈性模量的增加。當纖維體積含量為50%時,彈性模量增加顯著,這是因為當纖維增加到一定程度并均勻地分布于樹脂基體中后,纖維較好地承擔了受力作用。由于纖維和基體界面結合適中,纖維的變形受到基體的限制,同時纖維阻止基體的變形,從而使復合材料獲得很好的強化。

2.2　復合材料的強度分析

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

　　

 

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

　　

 

2.3　其他力學性能檢測

由以上幾組試驗數據可見,當玻璃纖維體積含量為50%時,復合材料的性能較好,故對這種復合材料的其他幾種常用力學性能作進一步檢測,所得結果如表1所示。

　　

 

3　結束語

玻璃纖維增強環氧樹脂單向復合材料力學性能隨著纖維含量增加而增強,當纖維含量較少時,復合材料的性能增進幅度不大,但當纖維含量達到一定值后,即纖維體積含量為50%時,復合材料獲得了較好的綜合力學性能,其中彈性模量可達40 GPa,縱向拉伸強度可達1 200 MPa,縱向壓縮模量可達700 MPa。