研究了環氧樹脂(EP)/玻璃纖維(GF)復合材料的力學性能。結果表明,EP/GF復合材料的常規性能和 耐熱性較好,夾層結構的滾筒剝離強度高,樹脂具有韌性,掃描電鏡分析發現復合材料界面粘接情況良好。該預浸 料已用于直升機次承力結構。

環氧樹脂(EP)是優良的熱固性樹脂。它與目 前大量應用的不飽和聚酯(UP)樹脂相比,具有更優 良的力學性能、電絕緣性、耐化學藥品性、耐熱性和 粘合性能。眾所周知,在國內,EP除用作粉末涂料、 地坪、封裝料、粘合劑等以外,在纖維增強復合材料 領域中更是大顯身手。EP/玻璃纖維(GF)復合材 料是目前研究比較成熟、應用最廣的一種復合材料。 EP/GF復合材料具有質量輕、強度高、模量大、耐腐 蝕性好、電性能優異、原料來源廣泛、工藝性好、加工 成型簡便、生產效率高等特點,并具有材料可設計性 及特殊的功能性如屏蔽電磁波、消音等特點,現已成 為國民經濟、國防建設和科技發展中無法代替的重 要材料,如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機 雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用 品、各類耐高溫制品及近期報道的性能優異的輪胎 簾子線等。

本研究采用牌號為3233的中溫固化EP,其具 有固化溫度低、成型周期短、貯存期長等特點,固化 溫度為100~150℃,固化時間為1.0~1.5h,預浸 料貯存期為常溫下1個月,-18℃下1年[2]。該樹 脂是一種粘度較高的潛伏性固化樹脂,其固化反應 比較緩慢,適用于不同升溫速率和不同加壓點的成 型工藝;具有自熄性,使用溫度為80℃,以其自粘特 性可直接用于蜂窩或泡沫塑料夾層結構,鋁-鋁剪 切強度大于30MPa(按GB7124-1986測試)。其 樹脂預浸料可直接與蜂窩結構復合制造夾層結構, 不使用膠膜,能形成膠瘤,簡化工藝過程、使復合材 料的結構輕量化,適合于制造大面積蜂窩夾心結構 次承力件和艙內結構件。該樹脂浸漬GF、碳纖維 (CF)、芳綸纖維及其織物制備的預浸料,外觀均勻、 粘性適中、工藝性好。樹脂及其復合材料的性能類 似于國外在直升機上廣泛使用的Ciba公司的145.4 和Hexcel公司的F155中溫固化樹脂[3]。該樹脂還具有良好的沖擊性能及耐濕熱老化性能,固化工藝 參數適應性強,易于實現與其它樹脂的配合使用。 另外,其合適的粘性可滿足對復雜復合材料結構件 鋪貼工藝的要求。

本研究采用自己研制、并已應用于直升機結構 件的中溫固化EP浸漬牌號為120的GF布,制備了 復合材料層壓板,討論了其各項性能。其預浸料蜂 窩夾層結構滾筒剝離強度高,可直接與蜂窩或泡沫 結構膠接,一次固化成型,不需要膠膜,可用熱壓罐、 真空袋和模壓法成型制件,已應用于航空結構件,如 發動機進氣道、艙內的座椅等,能實現結構輕量化, 并且性能良好,不易分層。

1　實驗部分

1.1　主要原料

EP:3233,符合Q/6S1517-2000,自制; GF布:120,其物理性能見表1,法國Hexcel公 司。

1.2　儀器、設備

熱熔預浸機:自制;

旋轉粘度儀:BrookfieldDV-Ⅰ型,美國 BrookfieldEngineeringLABS公司;

電子式萬能試驗機:WDS-100型,濟南試驗機 制造廠;

動態機械熱分析儀:PL-IIIDMTA型,美國流 變科學公司;

掃描電子顯微鏡(SEM):AMRAY-1000B型, 中科院科學儀器研制中心。

1.3　試樣制備

(1)預浸料的制備

3233EP體系既適合濕法又適用于熱熔法預浸 工藝。本研究采用熱熔二步法(第一步采用膠膜機 制備熱熔膠膜;第二步采用預浸機使膠膜浸漬纖維 或織物)預浸工藝制備預浸料。預浸料的物理性能 滿足表2要求。

(2)層壓板的制備

根據模具尺寸裁剪預浸料并鋪貼。制備常規力 學性能測試用層合板時,將一定層數鋪貼好的預浸 料按經向鋪貼好的坯件放入涂有脫模劑(或覆有隔 離膜)的模具內,用限位條控制厚度,采用模壓法制 造層合板。分別按標準中的工藝參數固化成型,自 然冷卻至60℃以下,卸壓出模。

(3)夾層板的制備

EP/GF復合材料滾筒剝離強度試樣為鋁蜂窩 夾層結構。試樣用芯材為NA-G5鋁蜂窩,厚度為 16mm;上下面板鋪層對稱鋪貼,每面各鋪貼5層預 浸料;玻璃布的經向與試件最大尺寸及蜂窩的L方 向平行,緯紗面與蜂窩接觸。將組裝好的真空袋放 入烘箱內,升溫并抽真空,真空度為0.08~0. MPa,以1.5~3℃/min的升溫速率升到125℃,在 (125±5)℃下保溫2h,自然冷卻至60℃以下取出。

1.4　性能測試

預浸料及復合材料層壓板的外觀通過目測; 預浸料單位面積質量和樹脂含量按JC/T78 -1996測試;

揮發分含量按JC/T776-1996測試;

彎曲性能按GB/T1449-1983測試;

層間剪切強度按JC/T773-1996測試;

拉伸性能按GB/T1447-1983測試;

壓縮性能按GB/T5258-1985測試;

滾筒剝離強度按Q/6S1145-1994測試;

縱橫剪切性能按GB/T3355-1982測試;

拉伸剪切強度按DHN1.015-240測試。

2　結果與討論

2.1　EP/GF布預浸料的物理性能

EP/GF布預浸料是通過2步熱熔膠膜法制備,工藝參數主要有纖維張力、速率、浸漬溫度、壓力等。 若浸漬速率快,則浸漬時間短,要求浸漬溫度高和壓 力大;而浸漬溫度高時樹脂粘度小,在壓力下容易浸 透增強材料,但其溫度過高,輥壓時樹脂因粘度低而 橫向流動,導致樹脂含量不均勻或樹脂含量降低,并 可能影響預浸料的貯存期。通過試驗發現在涂膠溫 度為70℃、涂膠速率為4m/min、浸漬速率為2m/ min、浸漬溫度為90℃、各輥間距恒定時,可得到符 合標準指標的預浸料。預浸料的外觀均勻平整、無 干紗、粘性適中,其物理性能見表3。

從表3可見,預浸料的物理性能滿足指標要求, 并且外觀和工藝性良好,可滿足復雜曲面制件對預 浸料柔軟性和粘性的要求。

2.2　EP/GF復合材料的性能

(1)EP/GF復合材料的常規性能

采用EP體系可以制備CF布、GF布和芳綸纖 維布等不同織物及單向纖維的預浸料。該料的粘性 適中、工藝性好,并可以制造復雜曲面的制件。所研 制的EP/GF復合材料層壓板的力學性能見表4。

EP/GF復合材料的各項性能都較高,復合材料 的Tg為145.9℃,固化溫度為125℃,故材料的耐熱 性較好。鋁蜂窩夾層結構具有較高的剝離強度,預 浸料可直接和蜂窩結構結合制造夾層結構,能形成 膠瘤,無需使用膠膜,簡化了在預浸料和蜂窩之間采 用膠膜的復雜工藝,實現了蜂窩夾層結構的一次固 化,并能使復合材料的結構輕量化。

(2)EP/GF復合材料的濕熱性能

復合材料的濕熱性能除了與增強材料和樹脂本 身的濕熱性能有關外,還與界面的粘接強度和空隙 率有關。選擇耐濕熱性能好的樹脂和適合的成型工 藝,能避免因增強材料的吸濕而造成的性能下降。 EP/GF復合材料的水煮和濕熱老化性能見表5。

從表5可見,EP/GF復合材料的彎曲性能保持 率較高,其彎曲性能和層間剪切強度保持率比有些 CF復合材料的濕熱性能高一些[4]。

2.3　EP/GF復合材料的斷面形貌

圖1為EP/GF復合材料層壓板剪切強度破壞 試樣斷面的SEM照片。

從圖1可看出,破壞橫截面處的纖維拉出很齊, 表現出GF的特點即為脆性斷裂。通常,CF和GF 復合材料在破壞橫截面處纖維的斷頭較短、較直、較 齊。而芳論纖維本身的韌性好,斷面處拔出的纖維 長并彎曲。從圖1b還可以看出,在纖維表面包裹著 一層樹脂,說明界面粘接性能較好。

2.4　EP/GF復合材料的應用

EP/GF布預浸料是鍛紋布預浸料,并且預浸料厚度薄,可設計性強。預浸料的物理性能、工藝性能 和力學性能均可滿足設計要求。其樹脂基體具有較 好的韌性和阻燃性。因此EP/GF布預浸料已被應 用于直升機的槳葉表層、發動機進氣道、艙內的座椅 (夾層結構)和門等多個部件。可以把EP/GF布預 浸料鋪貼到制件的最外層,按一定的工藝成型,能得 到外觀光滑的制件,并且能起到耐磨作用。EP/GF 布預浸料與泡沫塑料或蜂窩結構一起可制備夾層結 構,制造艙內座椅和門,不需要膠膜,從而更能實現 輕量化,并且操作方便。

采用EP/GF布預浸料和Nomex蜂窩制備的夾 層結構制件即直升機整流罩如圖2所示。制件的成 型工藝簡便,一次成型;固化溫度低,在125℃時即 可固化。從圖2可見,制件的正反面都平整光滑,沒 有缺陷,尺寸和表面質量滿足技術要求,已應用于直 升機。

3　結論

(1)3233EP具有較好的常規性能,樹脂的耐熱 性和韌性良好,所制備的預浸料的物理性能滿足要 求,工藝性良好。這種預浸料夾層結構的滾筒剝離 強度高,可直接用于夾層結構,不需要膠膜。

(2)EP/GF復合材料在濕熱條件下的力學性能 保持率較高,復合材料具有較好的耐濕熱性能。 (3)EP/GF復合材料試樣破壞斷面的SEM分 析表明,EP與GF的粘接性良好。

(4)EP/GF預浸料可制備制件的表層或夾層結 構,已應用于直升機結構件。