玻璃纖維布及碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能研究

周志宏　吳娜

摘要：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料簡(jiǎn)稱FRP，這種材料中有較大的強(qiáng)度和較良好的耐久性，這是其他材料都無(wú)法比擬的。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料相比其他材料具有較好的耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。文章對(duì)玻璃纖維布及碳纖維布增強(qiáng)酚醛環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維布；碳纖維布；復(fù)合材料；力學(xué)性能；纖維復(fù)合材料 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TQ050 文章編號(hào)：1009-2374（2017）10-0039-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.019

纖維復(fù)合材料，簡(jiǎn)稱FRP，因其較大的強(qiáng)度和較良好的耐久性，獲得了材料學(xué)界的廣泛關(guān)注，其中碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料具有其他材料都沒(méi)有的良好的耐高溫和耐腐蝕性，作為玻璃鋼一大分支的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合纖維，比重小，比強(qiáng)度高是它的一大優(yōu)點(diǎn)，良好的耐化學(xué)性使它的可使用范圍更加廣泛。另外，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合纖維和玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合纖維都具有質(zhì)量輕和力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，在當(dāng)下材料短缺的現(xiàn)狀下，如果能將這些材料應(yīng)用于各行各業(yè)中，將會(huì)降低部分產(chǎn)品的高成本，解決原料短缺的問(wèn)題，促進(jìn)材料學(xué)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的一大發(fā)展。

1 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料

1.1 碳纖維的發(fā)展歷程

碳纖維作為一種無(wú)機(jī)高分子化學(xué)材料，主要組成元素是碳元素，碳纖維是一種纖維狀碳化合物，是在惰性氣氛和高溫條件下有機(jī)纖維碳化而形成的，有纖維、布料等多種形式，也有多種分類，按照其力學(xué)性能的不同，可以分為高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度等，根據(jù)其元素的不同可分為纖維素基、酚醛基和瀝青基等，碳纖維主要是在復(fù)合材料中充當(dāng)增強(qiáng)材料，根據(jù)不同的基體材料以及復(fù)合方式可以達(dá)到不同的效果。碳纖維復(fù)合材料具有較好的耐高溫性和耐疲勞性。很久以前，就有很多科學(xué)家從碳纖維入手，成功制備了力學(xué)性能較好的黏膠基碳纖維和聚丙烯腈基碳纖維，后來(lái)，碳纖維的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域、航空、人造衛(wèi)星等多個(gè)領(lǐng)域都有其應(yīng)用。

1.2 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能

通過(guò)查閱資料我們可以知道，碳纖維力學(xué)性能非常好，相比其他材料來(lái)說(shuō)，碳纖維的抗拉強(qiáng)度和彈性模量都比其他纖維高出不少。

為了研究成型壓力對(duì)其拉伸性能的影響，我們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用控制變量法，選取成分含量相同的樹(shù)脂溶液，使用相同的碳纖維單向布，改變成型壓力，制備不同的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂好復(fù)合材料，通過(guò)壓力測(cè)試，對(duì)不同的碳纖維復(fù)合材料拉伸性能做出評(píng)價(jià)。最后試驗(yàn)結(jié)束，在拉伸的過(guò)程中，不同的成型壓力的復(fù)合材料會(huì)出現(xiàn)不同的斷裂程度，因此我們能夠得到下列結(jié)論，增加復(fù)合材料的成型壓力可以在一定范圍內(nèi)增加復(fù)合材料的拉伸程度和彈性模量，這說(shuō)明在一定的范圍內(nèi)，成型壓力的適當(dāng)增加對(duì)樹(shù)脂基體對(duì)纖維的浸潤(rùn)程度有促進(jìn)作用，可以提高樹(shù)脂與纖維之間的粘合性，因此復(fù)合的效果也就越好，材料的拉伸性能也就越高。

2 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料

2.1 玻璃纖維的發(fā)展歷程

玻璃纖維制品被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)，它是一種具有較高性能的無(wú)機(jī)非金屬材料，具有較好的耐熱性和耐腐蝕性，主要成分是二氧化硅，根據(jù)其形態(tài)和長(zhǎng)度可分為連續(xù)纖維、定長(zhǎng)纖維和玻璃棉，根據(jù)玻璃中堿的含量可以分為無(wú)堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維和高堿玻璃纖維，因?yàn)槠淞己玫慕^緣性和耐熱性，常作為電絕緣性材料和保溫材料出現(xiàn)在我們的生活中。玻璃纖維和碳纖維一樣，常作為增強(qiáng)材料，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。玻璃纖維是玻璃鋼的一種因此它的性能較鋼的性能要高出許多。玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，其中最出名的就是玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，環(huán)氧樹(shù)脂是一種性能優(yōu)良的熱固性樹(shù)脂，與其他不聚酯樹(shù)脂相比較，力學(xué)性質(zhì)更優(yōu)良，點(diǎn)絕緣性能越高，耐化學(xué)藥品性、耐熱性以及粘合性能也越好，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃纖維形成復(fù)合材料時(shí)，由于它較強(qiáng)的粘結(jié)性，因此可得到較高的界面剪切強(qiáng)度，復(fù)合材料使環(huán)氧樹(shù)脂本就優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)耐化學(xué)性得到更好的發(fā)揮。

2.2 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能

通過(guò)下表中玻璃纖維與鋼性能的對(duì)比可以知道，玻璃纖維具有很好的力學(xué)性質(zhì)，因此，它是一種較好的復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料。

玻璃纖維是單項(xiàng)排列在樹(shù)脂基體內(nèi)的，所以當(dāng)纖維含量達(dá)到一定值時(shí)，當(dāng)外力通過(guò)樹(shù)脂基體作用到纖維上時(shí)，由于各向異性的影響，外力的作用方向會(huì)發(fā)生改變，開(kāi)始沿著纖維取向的方向發(fā)展，在一定程度上使力的作用發(fā)生分散，從而對(duì)復(fù)合材料的破壞程度降解到最低，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能，但是當(dāng)復(fù)合材料中纖維材料含量過(guò)多時(shí)，部分纖維很難被樹(shù)脂基體完全浸潤(rùn)，造成材料中許多結(jié)合界面結(jié)合力減弱，當(dāng)外力作用到材料上時(shí)，力的傳遞失去了它本應(yīng)有的效果，從而使材料的性能下降。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)的復(fù)合材料也躍居世界前位，但在很多領(lǐng)域我們或許對(duì)碳纖維以及玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的研究還有很多缺陷。碳纖維以及玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的耐腐蝕性、絕緣性、耐化學(xué)性以及耐熱性相比之其他材料都是非常優(yōu)良的，由于其剛性好、強(qiáng)度高，因此可以廣泛應(yīng)用于航天航空以及運(yùn)輸領(lǐng)域，對(duì)這些優(yōu)良性能材料的開(kāi)發(fā)可以有效降低產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)所需的高成本和能源短缺的嚴(yán)重問(wèn)題，所以，總的來(lái)說(shuō)，這些新型材料的發(fā)展在未來(lái)的高新產(chǎn)業(yè)肯定會(huì)有美好前途，會(huì)產(chǎn)生大的作為。

參考文獻(xiàn)

[1] 易增博.碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能研究[D].蘭州交通大學(xué)，2015.

[2] 崔興志.碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備及性能研究[D].中國(guó)海洋大學(xué)，2014.

[3] 牟書(shū)香，賈智源.碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的液體成型及其性能研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2013，（Z2）.

[4] 梁春群，莫攸.竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能研究[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2010，（8）.

[5] 尹志娟，王麗雪，姜珊.玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的低溫性能研究[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，（1）.

[6] 張碩，姚寧，吳繼平，張廣泰.玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].電工材料，2016，（1）.

[7] 張喬胤，張鵬，程永奇，孫友松，董智賢.碳纖/玻纖協(xié)同增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2012，（5）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）