玻璃纤维增强环氧树脂单向复合材料力学性能分析

       环氧树脂是由具有还氧基的化合物与多元羟基化合物(双酚A、多元醇、多元酸、多元胺)进行缩聚反应而制得的产品[1]。它适用于多种成型工艺,可配制成不同的配方,可调节粘度范围大,贮存寿命长;固化时不释放挥发物,固化收缩率低,固化后的制品具有极佳的尺寸稳定性、良好的耐热性、耐湿性和高的绝缘性。但因其固化物质脆,抗开裂性能、抗冲击性能较低,使其应用受到了一定限制[2-3]。若以环氧树脂为基体,通过填加不同的增强材料制成不同的复合材料,则可使其性能得到大幅度改进[4]。玻璃纤维由于性能优良,成本低廉,研究较早,故其应用已处于相对较成熟的阶段[5-6]。本文通过连续玻璃纤维与环氧树脂复合而制得单向复合材料板,对复合材料的相关力学性能进行研究,为此种复合材料的进一步应用和性能的改进提供理论依据。

1　试验材料与方法

选用E54和TDE85环氧树脂体系及南京玻纤院生产的S2无碱高强玻璃纤维为原料,加入固化剂咪睉,利用金属模压成型工艺制得所需复合材料试样。材料成型工艺参数:120℃/2 h+160℃/4 h。利用WDW3300型微机控制电子万能试验机检测试样相关力学性能。

2　试验结果与分析

2.1　复合材料的弹性模量分析

以环氧树脂浇注体为参照,当基体中填加不同体积分数的玻璃纤维后,所得复合材料试样的弹性模量变化如图1所示。

　　

 

复合材料中各结构单元所起的作用不同。基体类似隔膜,能将增强体分隔开来,主要用于固定和黏附增强体,并将所受的载荷通过界面传递到增强体上。增强体被均匀地分散于基体中,主要用来承受载荷,降低复合材料被破坏的几率,提高材料的使用性能,延缓其使用寿命[7]。

由以上数据可见,当玻璃纤维体积含量为30%时,虽然复合材料的弹性模量有所增加,但增加幅度并不大,这主要是因为当纤维数目较少时,其承担的应力也相对较少,并且由于纤维的加入,切断了原来连续的基体,在树脂中形成了一定数目的缺陷,不利于弹性模量的增加。当纤维体积含量为50%时,弹性模量增加显著,这是因为当纤维增加到一定程度并均匀地分布于树脂基体中后,纤维较好地承担了受力作用。由于纤维和基体界面结合适中,纤维的变形受到基体的限制,同时纤维阻止基体的变形,从而使复合材料获得很好的强化。

2.2　复合材料的强度分析

图2、图3为不同玻璃纤维含量的复合材料纵向拉伸强度和纵向压缩强度变化曲线,可以看出,随着纤维含量的增加,复合材料的纵向拉伸强度和纵向压缩强度均呈增加趋势,且当纤维含量为50%时材料的强度值均高于纤维含量为30%时的材料强度值。

　　

 

在本试验所制复合材料中,由于玻璃纤维是单向排列于树脂基体中,所以当纤维含量达到一定值后,当外力由基体传递至纤维时,由于各向异性的影响,会使力的作用方向发生变化,即主要沿纤维取向方向进行传递。在一定程度上使力的作用得到分散,对复合材料的破坏作用减缓,从而使材料的强度得到提高。但当纤维含量过多时,部分纤维难以被树脂充分浸润,从而在材料中形成许多结合较弱的界面,当材料受力时,这些界面容易脱附拔出,应力传递失效,使材料的性能下降[8]。鉴于前人的经验,本试验复合材料中纤维最高体积含量为50%。

　　

 

2.3　其他力学性能检测

由以上几组试验数据可见,当玻璃纤维体积含量为50%时,复合材料的性能较好,故对这种复合材料的其他几种常用力学性能作进一步检测,所得结果如表1所示。

　　

 

3　结束语

玻璃纤维增强环氧树脂单向复合材料力学性能随着纤维含量增加而增强,当纤维含量较少时,复合材料的性能增进幅度不大,但当纤维含量达到一定值后,即纤维体积含量为50%时,复合材料获得了较好的综合力学性能,其中弹性模量可达40 GPa,纵向拉伸强度可达1 200 MPa,纵向压缩模量可达700 MPa。