碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂力學(xué)性能研究

彭永利 王醉寒

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

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碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂力學(xué)性能研究

彭永利 王醉寒

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

以碳纖維布作為增強(qiáng)材料，酚醛樹脂，環(huán)氧樹脂作為基體，經(jīng)過(guò)浸漬，層壓成型等工藝，制得碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。通過(guò)比較不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酚醛/環(huán)氧樹脂質(zhì)量比所制得的材料的力學(xué)性能及掃描電鏡(SEM)表征出的復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，得出在環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，該復(fù)合材料具有最佳的力學(xué)性能。

碳纖維；酚醛環(huán)氧樹脂；力學(xué)性能

碳纖維具有超高的強(qiáng)度、模量和耐腐蝕性等優(yōu)良性能，以它作為增強(qiáng)材料的樹脂基復(fù)合材料已廣泛用于航空、航天、體育器械等領(lǐng)域[1]。酚醛樹脂及其模塑料是合成樹脂、塑料中最早工業(yè)純生產(chǎn)的品種?；谒鼈兊脑蟻?lái)源較廣，生產(chǎn)工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，成型加工性好，價(jià)格較低廉，并且可以通過(guò)種種手段獲得優(yōu)良的力學(xué)性能、電性能、熱性能、燒蝕性能、化學(xué)性能以及耐輻射性能，特別是具有良好的阻燃性能，發(fā)煙率低，很少產(chǎn)生有害氣體，已成為機(jī)械、電子電氣、建筑、采礦、國(guó)防及其它工業(yè)部門不可缺少的材料[2-3]。但是酚醛樹脂延伸低，脆性大，韌性差，需要通過(guò)改性來(lái)提高其韌性。環(huán)氧樹脂具有良好的相容性，較好的力學(xué)性能尤其是韌性，易于加工等優(yōu)點(diǎn)，用環(huán)氧樹脂改性酚醛樹脂可以在保留酚醛樹脂高耐熱性的同時(shí)提高酚醛樹脂的韌性[4-6]。

本文主要研究以環(huán)氧改性酚醛樹脂作為基體，碳纖維布作為增強(qiáng)材料，采用浸漬，層壓工藝等壓制成型的復(fù)合材料的力學(xué)性能，討論不同環(huán)氧樹脂含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

3k碳纖維布；水溶性酚醛樹脂，山東濟(jì)寧華凱樹脂有限公司；環(huán)氧樹脂E-51，巴陵石化；熱壓機(jī)；萬(wàn)能材料測(cè)試機(jī)，WDW-20，深圳高品測(cè)試機(jī)械有限公司；懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，河北省承德試驗(yàn)機(jī)廠；掃描電子顯微鏡，JSM-5510LV，日本電子。

1.2 碳纖維布/酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成型工藝

碳纖維布/酚醛環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成型工藝如圖1所示。

圖1 碳纖維布/環(huán)氧酚醛樹脂復(fù)合材料成型工藝流程圖

1.3 復(fù)合材料性能測(cè)試

彎曲強(qiáng)度按照GB/T 1449-2005，采用深圳高品測(cè)試機(jī)械有限公司生產(chǎn)的WDW-20萬(wàn)能材料測(cè)試機(jī)進(jìn)行測(cè)定。

沖擊強(qiáng)度按照GB/T 1843-2008標(biāo)準(zhǔn)，采用河北省承德試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定。

表面形貌采用日本電子生產(chǎn)的JSM-5510LV掃描電子顯微鏡觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖2為環(huán)氧樹脂含量和復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的關(guān)系。從圖2中可以看出，隨著環(huán)氧樹脂含量的升高，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度逐步升高。當(dāng)環(huán)氧樹脂含量達(dá)到25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值，之后隨環(huán)氧樹脂含量升高，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度逐漸下降。

圖 2 復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度與環(huán)氧樹脂含量的關(guān)系

圖3為環(huán)氧樹脂含量和復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的關(guān)系。從圖3中可以看出，隨著環(huán)氧樹脂含量的升高，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度逐步升高。當(dāng)環(huán)氧樹脂含量達(dá)到25%時(shí)，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度達(dá)到峰值，之后隨環(huán)氧樹脂含量升高，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度逐漸下降。

圖 3 復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度與環(huán)氧樹脂含量的關(guān)系

在此復(fù)合體系中，纖維和樹脂基體共同承受外力，其中主要承擔(dān)外力的是纖維，樹脂基體通過(guò)界面將外力均勻地傳遞到每個(gè)纖維上，起到了分散應(yīng)力的作用，從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。酚醛樹脂性脆，加入環(huán)氧樹脂可以與酚醛樹脂共固化，達(dá)到使樹脂增韌的效果。共固化的效果決定了樹脂基體分散應(yīng)力的能力，因此加入適量的環(huán)氧樹脂可以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2.2 環(huán)氧樹脂含量對(duì)復(fù)合材料沖擊斷面形貌的影響

不同環(huán)氧樹脂含量的復(fù)合材料沖擊斷口形貌如圖4所示。圖4(a)中，環(huán)氧樹脂含量在25%時(shí)，纖維和樹脂分布較為均勻，在斷口仍有樹脂附著，說(shuō)明纖維與樹脂基體相容性較好，因此復(fù)合材料具有較強(qiáng)的吸收沖擊能的能力，具有更大的沖擊強(qiáng)度，間接說(shuō)明樹脂基體共固化效果較好；圖4(b)中，環(huán)氧樹脂含量在30%時(shí)，與圖4(a)相比，纖維和樹脂分布并不均勻，纖維之間的結(jié)合并不緊密，存在孔洞和裂隙，使得吸收沖擊能的能力減弱，沖擊強(qiáng)度下降。

從數(shù)值上看，環(huán)氧樹脂含量在25%的復(fù)合材料與環(huán)氧樹脂含量在10%的復(fù)合材料相比，彎曲強(qiáng)度提高30%左右，沖擊強(qiáng)度提高200%左右。

圖 4 不同環(huán)氧樹脂含量的復(fù)合材料沖擊斷口形貌

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)隨著環(huán)氧樹脂含量的增加，碳纖維布增強(qiáng)環(huán)氧酚醛樹脂復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度升高，當(dāng)環(huán)氧樹脂含量到達(dá)25%時(shí)，復(fù)合材料彎曲性能達(dá)到最大，達(dá)到最大值后，隨著環(huán)氧樹脂含量的增加材料的彎曲強(qiáng)度降低。

(2)隨著環(huán)氧樹脂含量的增加，碳纖維布增強(qiáng)環(huán)氧酚醛樹脂復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度升高，當(dāng)環(huán)氧樹脂含量到達(dá)25%時(shí)，復(fù)合材料沖擊性能達(dá)到最大，達(dá)到最大值后，隨著環(huán)氧樹脂含量的增加材料的彎曲強(qiáng)度降低。

1 賀福.碳纖維及其應(yīng)用技術(shù)[M] .北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004

2 黃發(fā)榮，萬(wàn)里強(qiáng)等.酚醛樹脂及其應(yīng)用[M].第一版.化學(xué)工業(yè)出版社, 2011

3 雅露，饒軍.新型酚醛復(fù)合材料及工藝進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料, 1996(2):43-46

4 孫曉牧.國(guó)外酚醛樹脂市場(chǎng)概況[J].熱固性樹脂, 1997(1):53-56

5 Zima V，Svoboda J，genes L．et a1．Synthesis and characterization of new strontium4-carboxyphenylphosphonates[J]．Journal of Solid State Chemistry，2007，180(3)：929—939

6 于紅衛(wèi).改性酚醛樹脂研究進(jìn)展[J].建筑人造板, 2001(2):20-24

(責(zé)任編輯：譚銀元)

Study on Mechanical Properties of Phenolic Epoxy Resin Reinforced with Carbon Fiber Cloth

PENG Yong-li,Wang Zui-han

(Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China)

Carbon fiber cloth is used as a reinforced material, phenolic resin and epoxy resin are used as matrix, through soaking, laminated molding processes, phenolic epoxy resin composites reinforced with carbon fiber cloth are obtained. The mechanical properties of different mass fraction of phenolic / epoxy resin mass ratio are compared with the microstructure characterized by the SEM, and the results show that the composite has the best mechanical properties with the epoxy resin mass fraction at 25%.

Carbon Fiber; Phenolic Epoxy Resin; Mechanical Properties

2014-11-27

彭永利,男，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師， 研究方向： 熱固性樹脂及其復(fù)合材料。

TP34

A

1671-8100(2015)03-0028-03