环氧树脂／芳纶布复合材料性能研究与应用

乌 云 其格，等：环氧树脂／芳纶布复合 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 性能研究与应用 41 环氧树脂／芳纶布复合材料性能研究与应用 乌云其其格 廖子龙 李 明 (北京航空材料研究院，北京 100095) 摘要 研究了3233环氧树~／796芳纶布复合材料的力学性能。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，3233环氧树~／796芳纶布复合材 料的常规性能和耐热性较好，采用模压法和热压罐法成型的层压板性能相 当，夹层板的滚筒剥离强度 高，树脂基体 具有韧性，扫描电镜观察发现复合材料的界面粘接情况良好。该预浸料已用于直升机次承力结构 关键词 环氧树脂 芳纶布 复合材料 性能 应用 环氧树脂(EP)基复合材料是目前研究最多、应 用最广的一种复合材料。它具有质量轻、强度高、模 量大、耐腐蚀性好、电性能优异、原料来源广泛、工艺 性好、加工成型简便、生产效率高等特点，并具有材 料可 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 性及一些特殊的功能，如透电磁波、消音 等，已成为国民经济、国防建设和科技发展中无法代 替的重要材料。芳纶纤维是一种高强度、高模量、低 密度和耐磨性好的有机纤维，其复合材料的比强度、 比模量高，韧性好，电绝缘性和透波性等性能优异， 已在航空航天领域得到广泛应用-- 。 笔者研究了EP／芳纶纤维复合材料的性能，所 采用的自制3233中温固化EP具有固化温度低、成 型周期短、贮仔期长等特点，其固化温度为 100～ 150％，固化时间为1．0一1．5 h，它浸渍芳纶布制成 的预浸料贮存期为常温下1个月、一】8~C下1年 。 用3233 EP直接制备胶膜，作为中温固化胶膜使用， 其铝一铝剪切强度大于30 MPa(按 GB 7124—1986 测试)。3233 EP浸渍玻璃布、碳布及芳纶布所制预 浸料的外观均匀、粘性适中、工艺性好。3233 EP及 其复合材料的性能类似于国外在直升机上广泛使用 的145．4(Ciba公司)和F155中温固化EP及其复 合材料(Hexcel公司) 。 笔者采用3233中温固化EP浸渍用 Kevlar 49 纺织的牌号为796的芳纶布，制备了复合材料层压 板，并研究了其各项性能。这种复合材料层压板可 采用模压法或热压罐法成型，比较了两种成型方法 对层压板力学性能的影响。3233 EP／796芳纶布预 浸料与铝蜂窝夹层结构的滚筒剥离强度高，可直接 与蜂窝或泡沫结构胶接，一次固化成型，不需要胶 膜。可用热压罐法、真空袋法和模压法成型制件，已 应用于直升机次承力结构件，如发动机进气道、舱内 的座椅等，可使结构件减重，并且性能良好，不易分 层 l 实验部分 1．1 主要原材料 EP：3233，加入双氰胺和改性剂，自制； 芳纶布：796，法国Hexcel公司。 1．2 设备与仪器 热熔预浸机：自制； 旋转 粘度仪：Brookfield DV— I型，美 国 Brookfield Engineering LABS公司； 电子式万能试验机：WDS一100型，济南试验机 制造厂； 动态机械热分析仪：PL—III DMTA型，美国流 变科学公司； 扫描电镜(SEM)：AMRAY一1000B型，中科院 科学仪器研制中心。 1．3 试样制备 (1)预浸料 采用热熔两步法预浸工艺制备3233 EP／796芳 纶布预浸料，即第～步采用胶膜机制备热熔胶膜，第 二步采用预浸机使胶膜浸渍纤维或织物。 (2)层压板 模压成型 按层压板铺层要求裁剪预浸料，按 0。方向铺贴，放人涂有脱模剂(或覆有隔离膜)的模 具内，用限位条控制其厚度，进行模压成型。预浸料 铺层层数为23层，层压板厚度为(2．0±0．1)mm。 固化工艺为起始加压，升温速率 1．5—3．0~C／rain， 由室温升温至(125 4-5)℃并保温90 rain，自然冷却 至6O℃以下，卸压出模，裁成 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 试样。 热压罐成型 按层压板铺层要求裁剪预浸料， 铺贴预浸料和所需要的辅助材料，组合。固化工艺 为室温下抽真空，真空度为0．1 MPa，施加 0．2 MPa 压力，升温，升温速率 1．5～3．O~C／min，由室温升温 收稿 日期：2006nOl一17 维普资讯 http://www.cqvip.com 42 上程塑料应用 2006年，第34卷．第4期 至(125±5)℃并保温90 min；自然冷却至60％以下 取出，裁切成标准试样。 (3)夹层板 试样用芯材为NA—G5铝蜂窝，其厚度为 16 nlm。上下面板铺层对称铺贴，每面5层。预浸芳纶 布的经向与蜂窝的L方向平行，纬纱面与蜂窝接 触。将组装好的真空袋放入真空烘箱内，边抽真空 边升温，升温速率 1．5～3．0~C／rain，由室温升至 (125±5)℃，并保温90 thin；自然冷却至60 以下 取出，裁切成标准试样。 1．4 性能测试 预浸料树脂含量或预浸料单位面积质量按JC／ T 780—1987测试； 拉伸性能按 GB／T 3354—1999测试； 压缩性能按 GB／T 3856—2005测试； 纵横剪切性能按 GB／T 3355—2005测试； 弯曲性能按 GB／T 3356—1999测试； 层间剪切强度按 JC／T 773—1982测试 ； 滚筒剥离强度按 Q／6S 1 145—1994测试。 2 结果与讨论 2．1 3233 EP／796芳纶布预浸料的物理性能 796芳纶布的物理性能见表 1。 表1 796芳纶布的物理性能 单位面积质最／ 织物密度／ g‘m ‘ 根 ·(10 mil1) 织物类型 质量分印／％ 经向：13 3±0 5 经向：50±1．0 61±7 平纹 纬向：13．3±0．5 纬向：50±1．0 3233 EP／796芳纶布预浸料是通过两步热熔胶 膜法制备的。预浸工艺参数主要有纤维张力、速率、 浸渍温度、雎力等。浸渍速率快 、时间短，要求浸渍 温度高、压力大。浸渍温度高，树脂粘度小，在压力 下容易浸透增强材料。但温度过高，在辊压时树脂 因粘度低而向横向流动，导致树脂含量不均匀或树 脂含量降低，并可能影响预浸料的贮存期。通过试 验，在涂胶温度为70 、涂胶速率为 4 m／rain、浸渍 速率为2 m／rain、浸渍温度为90℃、各辊间距恒定 时，可得到符合标准指标的预浸料。预浸料的外观 均匀平整、无干纱 、粘性适中，其物理性能见表2。 表2 3233 EP／796芳纶布预浸料的物理性能 项 目 指标值 测试值 单位面积质量／g·m一： 175±l5 l8O 村脂含量／％ 57．5—71．5 66 挥发分舍量／％ ≤l 5 0．3 凝胶[~lhq／min l5 从表2可见，该预浸料的物理性能满足指标要 求，其外观和工艺性良好，可满足复杂曲面制件对预 浸料柔软性和粘性的要求。 2．2 3233 EP／796芳纶布复合材料的性能 (1)3233 EP／796芳纶布复合材料的力学性能 用3233 EP体系可以制备不同织物及单向纤维 的预浸料，所制备的预浸料粘性适中，工艺性好，并 可以制造复杂曲面的制件。其复合材料具有良好的 力学性能。3233 EP／796芳纶布复合材料的力学性 能见表3。 表 3 3233EP／796芳纶布复合材料的力学性能 项目 模压法 热压罐法 弯曲强度／MPa 350 342 弯曲弹性模鳖／GPa 23．6 24 0。扎伸强度／MPa 5()o 487 0。拉伸弹性模量／GPa 29．2 31 9O。托伸强度／MPa 481 490 9O。拉伸弹性模量／GPa 30 29 O。压缩强度／MPa l36 148 O。压缩弹性模量／GPa 29．2 28 9O。压缩强度／MPa 141 133 90。压缩弹性模量／GPa 29．6 29 纵横剪切强度／MPa 157 165 纵横剪切弹性模最／GPa 1．38 1．39 玻璃化转变温度(T )／ 135 135 滚筒剥离强度／(N·mm)·mm (上板) 61．8 (下板) 63．1 由表 3可看出，3233 EP／796芳纶布层压板的 各项性能都较高，其 为 135℃，作为 125~C固化的 增韧EP，其耐热性较好。铝蜂窝夹层板具有较高的 剥离强度，该预浸料可直接与铝蜂窝结合制造夹层 板，能形成胶瘤，不使用胶膜，简化了在预浸料和蜂 窝之间采用胶膜的复杂工艺 ，实现了蜂窝夹层板的 一 次固化，并有效地减轻了蜂窝夹层板的质量。 (2)3233 EP／796芳纶布层压板的湿热性能 芳纶容易吸水，因此其复合材料的湿热性能比 其它增强复合材料差。复合材料的湿热性能除与增 强材料和树脂本身的湿热性能有关外，还与它们之 间界面的粘接强度和空隙率有关。选择耐湿热性能 好的树脂和适合的成型工艺，能避免因增强材料的 吸湿而造成的性能下降。3233 EP／796芳纶布层压 板的水煮和湿热老化性能见表4。 从表 4可见，经水煮和湿热老化后 3233 EP／ 796芳纶布层压板的弯曲性能保持率较高，对比相 关报道，其弯曲性能和层间剪切强度湿热保持率比 某些碳纤维复合材料高一些l4】。 维普资讯 http://www.cqvip.com 乌云其其格+等：环氧树脂／芳纶布复合材料性能研究与应用 43 表4 3233 EP／796芳纶布层压板的水煮和湿热老化性能 项口及测试条件 数据 保持率／％ (窀温) 372 弯曲强度 MPa{栾嘉装 F燥) 304 81．7 369 99．2 (湿热 1 000 h) 273 73．4 (室温) 23．7 弯曲弹性模量／GPa} 耄鬈 干燥) 2I．6 91 l 23．2 97．9 (湿热 l 000 h) 23．7 1oo (室温) 49 层问剪切强度／Mpa{栾羹鬈 干燥) 21，7 44．3 33．8 68．9 (湿热 1000 h) 19 7 40．2 2．3 3233 EP／796芳纶布层压板的断面形貌 对3233 EW796芳纶布层压板的剪切破坏试样 的断面进行SEM观察，照片见图1。 (b) a 放大 1 000倍；b--放大 2000倍 图1 3233 EP／796芳纶布层雎板试样翦切断面 SEM照片 从图1可看出，层压板试样剪切破坏横截面处 的纤维弯曲并拉出很长。在这一点上芳纶纤维不同 于碳纤维和玻璃纤维复合材料，碳纤维和玻璃纤维 复合材料在试样剪切破坏横截面处纤维的断头较 短，并且较直而整齐。因芳纶纤维本身的韧性好，所 以破坏横断面处拨出的纤维长而弯曲。从图lh看 出在纤维表面附着树脂，说明界面粘攒眭能较好。 2．4 3233 EP／796芳纶布预浸料的应用 3233 EP／796芳纶布预浸料是平纹布预浸料， 并且预浸料厚度薄，可设计性强。该预浸料的物理 性能、工艺性能和力学性能均满足设计要求，并且其 树脂基体具有较好的韧性和阻燃性。因此 3233 EW796芳纶布预浸料已应用于直升机的尾桨叶表 层、发动机进气道 、舱内的座椅 (夹层板)和门等多 个部件。图2为用其制备的直升机尾浆叶。制备时 先把3233 EP／796芳纶布预浸料铺贴在桨叶的表 层，按一定的工艺成型，即得到外观光滑的桨叶，它 有较好的耐磨作用。3233 EP／796芳纶布预浸料与 泡沫塑料或蜂窝一起可制备夹层结构，制造舱内座 椅和门，不需要胶膜，从而能减重，并且操作方便。 图 2 直升机尾桨 叶 3 结论 (I)3233 EP具有较好的常规性能，其耐热性和 韧性良好。3233 EP／796芳纶布预浸料的物理性能 满足使用要求，工艺性良好。采用模压法和热压罐 法成型的层压板性能相当。该预浸料夹层板的滚筒 剥离强度高，可直接用于夹层结构，不需要胶膜。 (2)3233 EP／796芳纶布复合材料在湿热条件 下的力学性能保持率较高，复合材料具有较好的耐 湿热性能。 (3)采用SEM对3233 EP／796芳纶布复合材料 试样断面的观察表明，树脂与纤维粘接性良好。 (4)3233 EP／796芳纶布预浸料可用作制件的 表面层或夹层结构，已应用于直升机次承力结构件。 参 考 文 献 1 乌云其其格 中温固化阻燃环氧树N／芳纶复合材料的研究 工程 塑料应用，2003，31(11)：5 2 舍颜娥，谭艳君．新型高性能纤维～ 芳纶．高科技纤维 应用， 2004，29(4)：37 3 陈祥宝、聚合物基复合材料 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 ．北京：化工工业出版社，2004． 4 刘东勋，魏刚 预浸方法和环境对3234树脂复合材料耐湿热性能 的影响 见：陈祥宝 第十三届全国复合材料学术会议论文集 北 京：航 工、l 出版社，2004 1 021 APPLICATION AND RESEARCH OF EPOXY RESIN／ARAMID FABRIC COMPOSITES Wuyun Qiqige，Liao Zilong，Li Ming (Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095．China) ABSTRACT The mechanica1 performances of 3233 epoxy resin／796 aramid fabric composite was studied。The results showed that the comDosite exhibited good general properties and heat—resisting properties． Mold formed and autoclave cured lanfinates showed equivalent peT{'0rn1ances，【be sandwich struc【ure laminates showed high peeling strength，the matrix resin showed good toughness，SEM observation revealed that the composite had high interface binding strength．The prepreg had been used in helicopter secondary strut ture． KEYW ORDS epoxy resin．aramid fabric，composite，peribrmance，application 维普资讯 http://www.cqvip.com