光固化E44/CER復(fù)配樹脂基復(fù)合材料的力學性能

趙培仲，王一峰，余周輝

（海軍航空大學青島校區(qū)航空機械系，山東 青島 266041）

脂環(huán)族環(huán)氧樹脂（Cycloaliphatic Epoxy Resin，CER）的環(huán)氧基直接連接在脂環(huán)上，能形成緊密的剛性分子結(jié)構(gòu)，固化后交聯(lián)密度大，固化收縮率小，拉伸強度高[1～3]。同時，脂環(huán)族環(huán)氧樹脂的黏度比較低，對于濕法成型復(fù)合材料來說，工藝性好。但固化物較脆，韌性差，且脂環(huán)族環(huán)氧樹脂的制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本昂貴[4]。雙酚A型環(huán)氧樹脂E44則成本較低，黏度相對較高，尤其是溫度較低的時候，嚴重影響濕鋪法的工藝性。光固化和熱固化相比，固化效率高，操作簡單，特別適合外場條件下的快速粘接修理作業(yè)[5]。因此，本文將E44和脂環(huán)族環(huán)氧樹脂進行復(fù)配作為復(fù)合材料基體，研究其光固化復(fù)合材料的力學性能，并應(yīng)用到復(fù)合材料粘接修理中。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及設(shè)備

T26樹脂，雙[（3,4-環(huán)氧環(huán)己基）甲基]己二酸酯，江蘇泰州泰特爾化工有限公司；環(huán)氧樹脂E44，鎮(zhèn)江丹寶樹脂有限公司；陽離子光引發(fā)劑820、二甲苯基碘鎓六氟磷酸鹽，姜堰市嘉晟科技有限公司；過氧化苯甲酰（BPO），上海國藥集團；SW100A-90a玻璃纖維平紋布，南京玻璃纖維研究設(shè)計院。

1 000 W高壓汞燈，上海煜業(yè)電光源制造有限公司。

1.2 光固化復(fù)合材料

光固化復(fù)合材料采用濕鋪法，以不同比例復(fù)配的樹脂為基體，玻璃纖維平紋布為增強體，一次性鋪設(shè)到6層后，置于高壓汞燈下，垂直距離150 mm，輻照20 min。參考ASTMD638將固化后的復(fù)合材料試樣裁成啞鈴型，用于測試拉伸性能。復(fù)配樹脂的組成如表1所示。

表1 復(fù)配樹脂膠液的組成Tab.1 Blend resin composition

1.3 光固化粘接修理

預(yù)制損傷。2A12鋁合金板材，1.5 mm厚，裁剪成50 mm寬，180 mm長，在中心鉆直徑10 mm的通孔模擬破孔損傷。

濕鋪法粘接修理損傷鋁合金板。粘接修理前對粘接區(qū)域進行溶劑清洗以及噴砂處理。復(fù)合材料補片的寬度和鋁合金損傷板相同，鋪設(shè)6層，每一層長均為90 mm。破孔位于補片下方中心位置。完成鋪設(shè)后，紫外光輻照20 min進行固化。

1.4 拉伸性能測試

光固化復(fù)合材料補片以及粘接修理試樣均采用濟南泰思特公司W(wǎng)DW-1型電子萬能拉力機在室溫下測試試樣拉伸性能。室溫下測試，拉伸速率5 mm/min。每組5個試樣，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 光固化復(fù)合材料補片

由于E44的黏度較大，所以隨其質(zhì)量分數(shù)的增大，復(fù)配樹脂的黏度逐漸增大。這樣在復(fù)合材料的濕鋪階段工藝性會隨之變差。當E44質(zhì)量分數(shù)超過15%后，工藝性明顯變差，容易導(dǎo)致樹脂的用量增大，試樣厚度較大。

光固化樹脂的固化厚度通常都比較小，加入增強體后，紫外光的衰減加劇，固化厚度更加有限。本文采用陽離子固化機理，對單純的T26樹脂體系而言，具有自蔓延特性，這樣就較好地解決了固化厚度受限的問題[6]。但是，E44樹脂的自蔓延特性較差，基本不能實現(xiàn)自蔓延固化。因此，在進行光固化時，隨著E44含量的增加，復(fù)合材料的整體固化程度也可能隨之變化。實驗發(fā)現(xiàn)，當E44的質(zhì)量分數(shù)達到30%時，固化程度明顯降低，超過50%后，底層稍微發(fā)黏，出現(xiàn)試樣底部不完全固化的現(xiàn)象。試樣的拉伸測試的斷裂破壞模式也說明了這一點，在E44含量較低的時候，脆性斷裂，斷口比較齊整（圖1，b）。當E44含量較高時，斷口處有纖維絲連（圖1，a）。

圖1 拉伸斷裂模式Fig.1 Tensile fracture mode

圖2 是光固化復(fù)合材料補片力學性能隨著E44含量的變化曲線。

圖2 復(fù)合材料補片拉伸性能隨E44質(zhì)量分數(shù)的變化Fig.2 Tensile properties of composite patches with different E44 weight percentage

顯然，隨著E44含量的增大，復(fù)合材料的拉伸強度逐漸降低。而且，當E44質(zhì)量分數(shù)超過20%時，拉伸強度下降更快。脂環(huán)族環(huán)氧樹脂固化交聯(lián)密度大，隨著E44含量的增加，復(fù)配樹脂基體的固化交聯(lián)密度下降，使得固化后復(fù)合材料的拉伸強度降低。當E44質(zhì)量分數(shù)超過20%后，固化交聯(lián)密度的下降更加明顯，進一步導(dǎo)致復(fù)合材料補片的拉伸強度下降，由于復(fù)合材料補片中纖維是主要的承載部分，因此拉伸模量變化并不大。

2.2 光固化復(fù)合材料粘接修理

光固化復(fù)合材料粘接修理可以快速完成損傷結(jié)構(gòu)的修理，在應(yīng)急搶修中具有很好的應(yīng)用前景。本次實驗中，補片尺寸為50 mm×90 mm，鋪設(shè)6層相同尺寸，一次性完成鋪設(shè)后，紫外光輻照20 min固化。拉伸性能測試表明，隨著復(fù)合材料補片復(fù)配樹脂基體中E44含量的增加，粘接修理結(jié)構(gòu)試樣的拉伸強度并不像單純的復(fù)合材料補片那樣逐漸下降。如圖3和表2所示。

圖3 粘接修理結(jié)構(gòu)試樣的拉伸強度隨E44用量的變化Fig.3 Tensile strength of adhesively bonded repair structure specimens with different E44 weight percentage

其中拉伸強度是名義拉伸強度。以鋁合金厚度加上復(fù)合材料補片厚度和鋁合金寬度減去破孔直徑后的乘積作為截面積，再依據(jù)破壞載荷得到名義拉伸強度。如圖3所示，其中E44質(zhì)量分數(shù)在0～15%時，試樣的拉伸強度基本保持不變。隨著E44含量的增加基體固化后交聯(lián)密度下降，基體的強度下降，但是其變形協(xié)調(diào)能力增強。載荷通過膠層（膠層也是復(fù)配樹脂）傳遞到復(fù)合材料補片，分擔結(jié)構(gòu)的載荷。在復(fù)合材料補片中，纖維承擔大部分載荷，由于基體強度遠低于纖維的強度，所以受力后首先在基體中產(chǎn)生裂紋，并在裂尖產(chǎn)生應(yīng)力集中。裂尖的曲率半徑越小，應(yīng)力集中越大。當應(yīng)力集中大于基體強度時，裂紋就會擴展，直至材料斷裂。如果基體變形能力增大，會使裂尖曲率半徑變大，應(yīng)力集中會大幅度下降。當應(yīng)力集中低于基體的強度時，裂紋停止擴展。同時，由于復(fù)合材料有纖維增強體，當樹脂出現(xiàn)微裂紋延伸到纖維處時，因纖維的阻礙限制了微裂紋的進一步擴展。此時必須增加作用應(yīng)力材料才會破壞，表現(xiàn)為材料強度提高了，從而起到較好的修理效果。如果基體材料過于剛硬，變形協(xié)調(diào)能力較差，反而容易導(dǎo)致粘接修理失效。2種因素共同作用的結(jié)果是，具有適當?shù)难a片強度和基體的變形協(xié)調(diào)能力是最佳修復(fù)效果。根據(jù)實驗結(jié)果，可以選擇E44質(zhì)量分數(shù)10%的共混樹脂作為復(fù)合材料樹脂基體。此時，既可降低成本，而且還具有較好的力學性能。

表2 粘接修理結(jié)構(gòu)試樣的力學性能Tab.2 Mechanical properties of adhesively bonded repair structures specimens

3 結(jié)論

通過復(fù)配的方式，將脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和E44環(huán)氧樹脂進行復(fù)配，并以此為基體制備了復(fù)合材料補片。拉伸性能測試表明，E44質(zhì)量分數(shù)的增加，會導(dǎo)致復(fù)合材料拉伸強度的逐漸下降。但是，在E44質(zhì)量分數(shù)5%以內(nèi)，變化并不大。當E44質(zhì)量分數(shù)在10%～20%時，有明顯下降，但是，此時復(fù)合材料基體具有較高的固化交聯(lián)密度和力學性能。進一步增加E44含量，會導(dǎo)致固化交聯(lián)密度的降低，當E44質(zhì)量分數(shù)超過50%，復(fù)合材料補片將不能完全固化。將光固化復(fù)合材料應(yīng)用到鋁合金損傷結(jié)構(gòu)的粘接修理，實驗發(fā)現(xiàn)，盡管隨著E44含量的增加，復(fù)合材料補片拉伸強度下降，但是，粘接修理后的結(jié)構(gòu)試樣性能并沒有隨之下降。而是在E44質(zhì)量分數(shù)為10%時，出現(xiàn)了最佳的修復(fù)效率。

[1]余周輝,趙培仲,胡芳友.光固化ES/CEP共混物及其復(fù)合材料力學性能研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2017,44(4):60-65.

[2]張琳.脂環(huán)族環(huán)氧樹脂的熱陽離子聚合反應(yīng)研究[D].大連:大連理工大學,2016.

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[4]何少波,陳允,崔博源,等.雙酚A環(huán)氧樹脂/脂環(huán)族環(huán)氧樹脂的共混改性研究[J].絕緣材料,2016,49(3):11-15.

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[6]趙培仲,魏華凱,黃旭仁,等.光固化碳纖維布/CEPES復(fù)合材料粘接修理金屬損傷結(jié)構(gòu)[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2015,42(6):88-92.