環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備及性能研究

【摘要】環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料一般是采用高溫模壓成型法制備的，本文對(duì)BN的用量同復(fù)合材料的性能之間的關(guān)系進(jìn)行了探討，得出結(jié)論：BN用量為6％(wt)的時(shí)候，環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料有最佳的彎曲和剪切強(qiáng)度；BN的用量同環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度無(wú)明顯關(guān)系；BN用量與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱性成正比，BN用量為20％(wt)時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.8438W／m#8226;K。

【關(guān)鍵詞】環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料 制備 性能

一、引言：

所謂復(fù)合，是指不同材料進(jìn)行新體系的構(gòu)建，復(fù)合材料便是用多種材料進(jìn)行復(fù)合，以達(dá)到增強(qiáng)新體系材料性能的目的，以發(fā)揮組成材料的特性，在組成材料的合理組合下，形成組合內(nèi)單一材料所沒(méi)有的新能力。環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，就是在環(huán)氧樹(shù)脂缺少導(dǎo)熱和力學(xué)等能力下進(jìn)行的復(fù)合，以充分發(fā)揮環(huán)氧樹(shù)脂的粘接、電絕緣、易加工、低成本等特性，擴(kuò)大環(huán)氧樹(shù)脂的應(yīng)用范圍。復(fù)合材料的選擇，在導(dǎo)熱性能上選擇碳纖維，結(jié)合碳纖維的優(yōu)良導(dǎo)熱性能及其他特性，完善環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能。本文實(shí)驗(yàn)中的復(fù)合基體為聚砜改性環(huán)氧樹(shù)脂，微納米BN以KH-550處理后填料，通過(guò)高溫模壓成型，制備環(huán)氧樹(shù)脂／碳纖／BN的復(fù)合材料。

（一）實(shí)驗(yàn)流程

1.實(shí)驗(yàn)原料。實(shí)驗(yàn)使用的原料為，環(huán)氧值0.52的工業(yè)級(jí)E-51環(huán)氧樹(shù)脂，分析純4，4-二氨基二苯砜（DDS），工業(yè)級(jí)的碳纖維T-300，粒徑5μm的工業(yè)級(jí)BN白粉，工業(yè)級(jí)聚砜，分析純丙酮。

2.實(shí)驗(yàn)儀器。實(shí)驗(yàn)所用儀器為Hot-Disk型熱常數(shù)分析儀，BC-50擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)和CMT5105電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。

3.濃硝酸對(duì)碳纖維的氧化處理。實(shí)驗(yàn)中先把碳纖維在體積比1：1的乙醇和丙酮溶液中浸泡一小時(shí)，并以搖晃達(dá)到攪拌目的；將碳纖維內(nèi)的溶劑去除干凈后，放入69.7％的濃硝酸中浸泡，一小時(shí)后同樣以搖晃達(dá)到攪拌目的；最后將得到的碳纖維在蒸餾水中洗滌，洗滌五次后去除碳纖維內(nèi)溶劑成分，直到重量稱(chēng)量穩(wěn)定。

4.環(huán)氧碳纖維復(fù)合材料的制備。將PSF溶解后，在其中加入環(huán)氧樹(shù)脂，攪拌均勻后加入4，4-二氨基二苯砜和BN的溶解液，再次攪拌。然后放入上述已處理好的碳纖維，經(jīng)高溫模壓成型進(jìn)行復(fù)合材料的制備，并于200℃下處理兩小時(shí)。

5.測(cè)試與表征。實(shí)驗(yàn)測(cè)試包括：沖擊性能，GB／T1043—1993標(biāo)準(zhǔn)，BC-50擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)；彎曲性能和剪切性能，分別為GB／T9341—2000和GB／T3357—1994標(biāo)準(zhǔn)，CMT5105電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。

二、結(jié)論探討

（一）BN用量對(duì)復(fù)合材料的影響。在圖1與表1中，以20％(wt)聚砜改性環(huán)氧樹(shù)脂為基體研究。

圖1.BN用量對(duì)復(fù)合材料彎曲和剪切強(qiáng)度的影響

圖1中，BN用量在達(dá)到6％(wt)前，與復(fù)合材料的彎曲和剪切強(qiáng)度成正比，當(dāng)BN用量超過(guò)6％(wt)后，與復(fù)合材料的彎曲和剪切強(qiáng)度成反比，6％(wt)時(shí)的剪切和彎曲強(qiáng)度最佳。這是因?yàn)榧尤隑N后，純環(huán)氧樹(shù)脂的起始力學(xué)性能提高，但當(dāng)BN用量超過(guò)6％(wt)時(shí)，應(yīng)力集中點(diǎn)增多，彎曲和剪切強(qiáng)度下降。

（二）復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能

BN用量的不同，復(fù)合材料導(dǎo)熱性能也不同，加入BN可提升復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其熱導(dǎo)率與BN成正比。BN用量為20％(wt)時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.8438W／m#8226;K。這是因?yàn)檩^多的BN顆粒存在，提升了碳纖之間形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的概率。

Y.Agari模型主要在復(fù)合材料的研究中應(yīng)用，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

lgλ=V(X2C2lgλ2+X3C3lgλ3+……)+(1-V)lg(C1λ1)

其中，λ1是聚合物的導(dǎo)熱率，λ2、λ3……是聚合物內(nèi)各粒子的導(dǎo)熱率，而λ則是復(fù)合材料的導(dǎo)熱率，V代表復(fù)合所需填料所占的體積分?jǐn)?shù)，X2、X3……是各個(gè)粒子的統(tǒng)計(jì)分?jǐn)?shù)，且和為1。Y.Agarit在復(fù)合材料的導(dǎo)熱性研究中，使用了碳纖維填充聚乙烯，為適應(yīng)實(shí)驗(yàn)需求，對(duì)公式進(jìn)行了完善，使其可應(yīng)用于其他長(zhǎng)徑比的纖維填充復(fù)合材料導(dǎo)熱率的研究。lgλ=V[Clg( )+E]lgλ2+(1-V)lg(C1λ1)其中， 為纖維的長(zhǎng)徑之比，C和E是常數(shù)。

在環(huán)氧樹(shù)脂的復(fù)合材料制備實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)Y.Agarit模型進(jìn)行復(fù)合材料的導(dǎo)熱性研究，則適于本實(shí)驗(yàn)的Y.Agari模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中C2=Clg( )+E。因?yàn)閅.Agari模型假設(shè)的為均勻分散狀態(tài)，且對(duì)基體樹(shù)脂與碳纖之間作用力忽視，為理想模式。而對(duì)圖2數(shù)據(jù)進(jìn)行Y.Agari模型分析，使用本實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)表達(dá)式分析，本實(shí)驗(yàn)所得的導(dǎo)熱率要高于Y.Agari模型的預(yù)測(cè)值，雖然存在著差異，但將二曲線(xiàn)如圖3對(duì)比后，排除理想條件因素，認(rèn)為環(huán)氧樹(shù)脂的復(fù)合材料與Y.Agari模型理論曲線(xiàn)仍較為一致。

三、結(jié)語(yǔ)：

得出結(jié)論：環(huán)氧／碳纖復(fù)合材料在聚砜改性下，BN用量在達(dá)到6％(wt)前，與復(fù)合材料的彎曲和剪切強(qiáng)度成正比，當(dāng)BN用量超過(guò)6％(wt)后，與復(fù)合材料的彎曲和剪切強(qiáng)度成反比，6％(wt)時(shí)的剪切和彎曲強(qiáng)度最佳；BN的用量同環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度無(wú)明顯關(guān)系；BN用量與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱性成正比，BN用量為20％(wt)時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.8438W／m#8226;K，要明顯高于純樹(shù)脂基體；環(huán)氧樹(shù)脂的復(fù)合材料與Y.Agari模型理論曲線(xiàn)仍較為一致。

參考文獻(xiàn)：

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