中溫固化高性能環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維復(fù)合材料性能研究

烏云其其格

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 100095）

中溫固化高性能環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維復(fù)合材料性能研究

烏云其其格

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 100095）

對(duì)制備的中溫固化高溫使用環(huán)氧樹(shù)脂體系的工藝性能及其碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。研究結(jié)果表明，該樹(shù)脂具有良好的韌性，其預(yù)浸料可與蜂窩直接共固化，夾層結(jié)構(gòu)抗?jié)L筒剝離強(qiáng)度高。其碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能滿足指標(biāo)要求，并具有較好的耐濕熱性能，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高，耐熱性能較好。

環(huán)氧樹(shù)脂；中溫固化；碳纖維復(fù)合材料；力學(xué)性能；測(cè)試研究

0 引言

樹(shù)脂基復(fù)合材料具有現(xiàn)代飛機(jī)所需的重要特性，如高的比強(qiáng)度、比模量和尺寸穩(wěn)定性，優(yōu)異的耐腐蝕性能、耐磨性、介電性能、電絕緣性能和綜合力學(xué)性能以及性能的可設(shè)計(jì)、成型工藝多樣性等，因而在航空工業(yè)上獲得了廣泛的應(yīng)用。熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料是最早應(yīng)用在航空工業(yè)，目前在航空工業(yè)應(yīng)用量最大的復(fù)合材料。其突出的高的比強(qiáng)度和比模量特點(diǎn)使其成為當(dāng)今最重要的飛機(jī)材料之一。熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料按樹(shù)脂體系的不同，有環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、雙馬樹(shù)脂等。當(dāng)前航空用復(fù)合材料中環(huán)氧樹(shù)脂占統(tǒng)治地位。環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料是技術(shù)比較成熟，應(yīng)用比較廣泛的一類復(fù)合材料。環(huán)氧樹(shù)脂體系的固化溫度不同可分為高溫固化、中溫固化、室溫固化等體系。先進(jìn)復(fù)合材料用環(huán)氧樹(shù)脂大部分是高溫固化和中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂體系[1～3]。

中溫固化高溫使用環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料減少了能耗，降低了對(duì)模具的要求，縮短了固化時(shí)間，減少了復(fù)合材料的制造成本。中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能及耐環(huán)境性能，成型工藝性能好，綜合性能優(yōu)良，可在-55～80 ℃下長(zhǎng)期使用，是航空工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的復(fù)合材料之一[4～6]。廣泛用于運(yùn)輸機(jī)、通用飛機(jī)和直升機(jī)的蒙皮、隔板、肋、整流罩等結(jié)構(gòu)件。由于其良好的綜合性能、成熟的使用經(jīng)驗(yàn)以及相對(duì)低廉的材料和制造成本，結(jié)合低成本的成型工藝（如非熱壓罐）制備低成本中溫固化高溫使用環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料也將是民用復(fù)合材料的優(yōu)先選擇。

利用現(xiàn)有的低成本原材料研制一種中溫固化高溫使用的樹(shù)脂基預(yù)浸料，樹(shù)脂命名為ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂。實(shí)驗(yàn)主要對(duì)ACTECH1202中溫固化高性能環(huán)氧碳纖維復(fù)合材料的性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂，自制；CCF300碳纖維，威海拓展纖維有限公司。

1.2 分析測(cè)試

差示掃描量熱（DSC）分析采用TA公司的Q10型儀器測(cè)試，升溫速率為10 ℃/min。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的測(cè)試采用TA公司的Q800型動(dòng)態(tài)力學(xué)熱（DMA）分析儀測(cè)試，升溫速率為5 ℃/min，測(cè)試頻率為1 Hz，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行測(cè)試。預(yù)浸料物理性能采用分析天平秤質(zhì)量，烘干揮發(fā)份采用101A-4B型電熱鼓風(fēng)干燥箱。復(fù)合材料層合板和夾層板的力學(xué)性能在Instron 5582萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。制備預(yù)浸料采用幅寬為1 200 mm的兩步法熱熔預(yù)浸機(jī)（含膠膜機(jī)）。流變性能采用TA儀器公司的AR2000型流變儀測(cè)試，升溫速率為2 ℃/min。

1.3 試驗(yàn)方法

在性能測(cè)試中所采用的試驗(yàn)方法見(jiàn)表1。

1.4 層合板和夾層板的制備

按表2所示的層合板鋪層要求將預(yù)浸料裁剪和鋪貼，鋪層層數(shù)（名義單層厚度為0.125 mm）見(jiàn)表2。采用熱壓罐成型。固化工藝見(jiàn)表3。夾層板的制備用芯材為NH-1-1.83-48-δ12. 芳綸紙蜂窩，組裝好的真空袋放入烘箱內(nèi)，升溫速率、固化溫度和時(shí)間同表3。

2 結(jié)果與討論

2.1 ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂體系

2.1.1 流變性能

表1 力學(xué)性能試驗(yàn)方法

表2 預(yù)浸料成型復(fù)合材料層合板的鋪層

表3 ACTECH1202中溫固化環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料成型基本工藝參數(shù)

圖1 ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂粘度-溫度曲線

圖1是ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂體系流變性能的結(jié)果。由圖1可以看出，該樹(shù)脂體系的粘度隨溫度變化的曲線拐點(diǎn)約在112 ℃，具有中溫固化樹(shù)脂的特點(diǎn)，固化溫度135 ℃已經(jīng)開(kāi)始固化。100 ℃以下粘度隨溫度提高而下降，說(shuō)明樹(shù)脂體系具有較好的潛伏性。

2.1.2 ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂固化參數(shù)的摸索

通過(guò)樹(shù)脂體系凝膠時(shí)間的測(cè)定、DSC分析和結(jié)合流變性能確定樹(shù)脂的固化工藝。ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂的凝膠時(shí)間和凝膠時(shí)間-溫度關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2結(jié)果表明，ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂在135 ℃的凝膠時(shí)間約8 min，140 ℃的凝膠時(shí)間約6 min。

圖2 ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂凝膠時(shí)間隨溫度變化圖

圖3 預(yù)浸料DSC圖

采用差示掃描量熱（DSC）分析法研究了ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂固化體系在升溫速率為10 ℃/min時(shí)的固化放熱峰和溫度的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3結(jié)果表明，ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂的放熱反應(yīng)溫度范圍在125～197 ℃（升溫速率為10 ℃/min時(shí)），具有中溫固化樹(shù)脂的放熱特點(diǎn)，結(jié)合流變曲線和凝膠時(shí)間，固化工藝確定為（135～140）℃下保溫2 h。

2.2 ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂/CCF300碳纖維預(yù)浸料物理指標(biāo)

ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂/CCF300預(yù)浸料通過(guò)兩步熱熔工藝法制備。結(jié)合ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂的流變性能和凝膠時(shí)間確定制備預(yù)浸料工藝參數(shù)，工藝參數(shù)有制備膠膜的涂膠溫度、涂膠速率、制備預(yù)浸料的浸漬速率、浸漬溫度、各輥間距等。按確定的工藝參數(shù)調(diào)整設(shè)備可制備滿足要求和外觀合格的預(yù)浸料。對(duì)所制備的預(yù)浸料進(jìn)行物理指標(biāo)測(cè)試，其結(jié)果如表4。

由表4結(jié)果可知，采用熱熔法制備的ACTECH 1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂/ CCF300碳纖維預(yù)浸料的物理指標(biāo)滿足工程指標(biāo)要求。

2.3 ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂/CCF300碳纖維復(fù)合材料指標(biāo)

表4 ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂/CCF300碳纖維預(yù)浸料物理性能

表5 ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂/CCF300碳纖維復(fù)合材料層合板和夾層板力學(xué)性能

用ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂/CCF300碳纖維預(yù)浸料制備復(fù)合材料層合板和夾層板，測(cè)試了復(fù)合材料層合板的常溫、耐高低溫和濕熱性能，結(jié)果見(jiàn)表5。ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂是增韌改性樹(shù)脂，其預(yù)浸料具有自粘性，即預(yù)浸料可以直接粘接芯材。用滾筒剝離強(qiáng)度表征自粘性預(yù)浸料和芯材的粘接強(qiáng)度。對(duì)ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂/CCF300碳纖維預(yù)浸料夾層板滾筒剝離強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可以看出，ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂/CCF300碳纖維復(fù)合材料常溫、濕態(tài)100℃及-55 ℃性能均達(dá)到了指標(biāo)要求。蜂窩夾層板的滾筒剝離強(qiáng)度高，滿足工程指標(biāo)要求。濕態(tài)100 ℃下的性能比較高。而一般中溫固化樹(shù)脂復(fù)合材料最高在濕態(tài)80 ℃下有一定的性能保持率，但在濕態(tài)100 ℃下性能很低或沒(méi)法測(cè)試。因此ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的耐濕熱性比較好。

2.4 樹(shù)脂體系復(fù)合材料的Tg

一般中溫固化樹(shù)脂復(fù)合材料的Tg比高溫固化樹(shù)脂復(fù)合材料低，一般＜165 ℃。實(shí)驗(yàn)用的ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂體系在研究配方時(shí)考慮了樹(shù)脂的耐熱性和韌性。對(duì)其進(jìn)行了增韌改性，使其預(yù)浸料具備自粘性，直接粘接芯材，同時(shí)考慮耐熱性，提高其Tg和樹(shù)脂復(fù)合材料的使用溫度。采用動(dòng)態(tài)力學(xué)熱（DMA）分析儀測(cè)試ACTECH1202中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂體系復(fù)合材料層合板的Tg（tanδ），其結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可見(jiàn)，層合板的Tg（tanδ）峰約在200 ℃，說(shuō)明其復(fù)合材料的耐熱性比較好。

Research on the property of a medium-temperature curing high performance epoxy resin carbon fiber composite

WUYUN Qiqige

( AVIC Composite Corporation LTD, Beijing 100095 China )

The processing property of a medium-temperature curing high-temperature epoxy resin and the mechanical properties of its carbon fiber reinforced composites were measured and analyzed. The results showed that the toughness of this epoxy is well, and the prepreg can co-cure with the honeycomb directly. The roll peel strength of the sandwich structure is high. The hydrothermal property of the carbon fiber reinforced composites is well, and the mechanical property is satisfied the requirement. The glass-transition temperature of the composites is high, and the heat resistance property is well.

epoxy resin; medium-temperature curing; carbon fiber composites; mechanical properties; test research

V258

A

1007-9815（2016）02-0048-03

定稿日期:2016-04-07

烏云其其格（1968-），女（蒙族），內(nèi)蒙古赤峰人，博士，研究員，主要從事復(fù)合材料用樹(shù)脂基體以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用的研究，(電子信箱)wuyunqiqige2006@126.com。