搜索:
雜質(zhì)對復(fù)合材料性能的影響
時間:2005-07-05
碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料由于低密度、高強度、高模量和低膨脹系數(shù)等性能，在汽車工業(yè)、建筑材料、體育制品等領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。特別是高模量碳纖維／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域有著更為廣泛的應(yīng)用，當(dāng)今衛(wèi)星的主承力結(jié)構(gòu)件、次承力結(jié)構(gòu)件甚至地面裝置，盡量采用它們制造。然而在復(fù)合材料制件的制造和使用過程中由于環(huán)境因素導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能下降，影響了復(fù)合材料的可靠性，制約了復(fù)合材料的應(yīng)用。因此，本文重點研究了加工過程中水及脫模材料對復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果清楚顯示雜質(zhì)的混入能夠?qū)е聫?fù)合材料性能嚴(yán)重下降。由此可知加工過程中環(huán)境的嚴(yán)格控制是得到高可靠性復(fù)合材料的主要因素之。
2 實驗部分
（ 1）原材料
碳纖維預(yù)浸料： M40－3K－40B／648環(huán)氧樹脂，含膠量：39±3％，纖維含量117g／m2，厚度：0.125mm。
（2）雜質(zhì)選擇
自來水及脫模材料。
（3）試件制備
單向鋪層，14層，含膠量 32±3％；AO板：標(biāo)準(zhǔn)板，沒有任何雜質(zhì)；AI－AS板：自來水整層均勻噴灑，單層噴灑重量30.77g／m2，具體噴灑位置見圖 1黑體部位 ；BI－B4板：雜質(zhì)種類：脫模材料（特 221號潤滑膏，SH0459－92），材料寬度約25mm，單層重量 2.36mg／cm2‘層，共兩層，刷涂位置見圖 2黑體部位；固化工藝見表1。
表1 復(fù)合材料試樣固化工
| 罐內(nèi)空氣溫度/℃ |
模具溫度/℃ |
保溫時間/min |
真空/MPa |
充氣壓力/MPa |
| 室溫 |
室溫 |
0 |
0.092 |
0 |
| 110 |
85 |
30 |
0.092 |
0 |
| 145 |
125 |
0 |
0.092 |
0.4 |
| 170 |
165±5 |
120 |
0.092 |
0.4 |
| 降溫 |
165 |
0 |
0.092 |
0.4 |
| 降溫 |
50 |
自然冷卻 |
0 |
0 |
（ 4）實驗用主要設(shè)備
美國MTS力學(xué)性能試驗機，100Kg材料試驗機。
(5）性能測試
拉伸性能按GB／T3354－99測試，壓縮性能按GB3856－83測試，層間剪切性能按GB3357－82測試，彎曲性能按GB／T3356－99測試。
3 結(jié)果與討論
3．1 雜質(zhì)對復(fù)合材料性能影響實驗結(jié)果
復(fù)合材料在加工過程中，外部環(huán)境中的固體顆粒及濕度能夠嚴(yán)重影響復(fù)合材料的機械性能。加工過程中由于操作人員的不小心，可能導(dǎo)致脫模材料混入復(fù)合材料制件中，同樣會對復(fù)合材料的性能及可靠性構(gòu)成致命的危害。本課題研究方案是通過在復(fù)合材料的鋪制過程中故意分別加入了自來水及常用脫模材料，根據(jù)力學(xué)性能測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得出了實驗結(jié)果，表2為水的不同含量對復(fù)合材料性能影響實驗結(jié)果，表3為脫模材料刷涂不同位置對復(fù)合材料性能影響實驗結(jié)果（含脫模材料的板材在加工測試力學(xué)性能用試片時脫模材料應(yīng)在試樣的中部）。
3．2 試驗結(jié)果討論
與無任何雜質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)板材機械性能數(shù)據(jù)對比，含雜質(zhì)復(fù)合材料板材各種強度及模量有不同程度的下降，有些甚至下降的比較嚴(yán)重。另外也可以看出，雜質(zhì)含量越高，對各種性能影響越大。由此可知，在復(fù)合材料加工過程中，雜質(zhì)的混入可導(dǎo)致復(fù)合材料性能下降。
液體雜質(zhì)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響可能歸結(jié)于以下幾種因素：
①增加孔隙含量：液體雜質(zhì)的存在可能增加復(fù)合材料的孔隙含量，因為在固化過程中液體的揮發(fā)在復(fù)合材料中留下孔隙?？紫逗康奶岣吣軌驀?yán)重降低復(fù)合材料的機械性能；
②纖維含量的提高：含有雜質(zhì)試樣在固化名門到中大約3一4%的樹脂被擠出，導(dǎo)致復(fù)合材料纖維含量的提高，可能是ILSS降低的因素之一；
③液體雜質(zhì)抑制結(jié)合：液體雜質(zhì)可能抑制環(huán)氧樹脂的粘結(jié)性能；
④另外的因素可能是在復(fù)合材料固化成型過程中雜質(zhì)影響了環(huán)氧樹脂的化學(xué)與界面成分；
⑤測試結(jié)果顯示不含有雜質(zhì)的多層板結(jié)合好，它是作為一個整體共同承擔(dān)載荷，含有雜質(zhì)的試樣由于層間疏松，性能下降。這是因為無雜質(zhì)時復(fù)合材料中纖維與環(huán)氧樹脂結(jié)合力好，含有雜質(zhì)時，基體／纖維界面受到影響，不同層門纖維被分開導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松，性能下降。加載時，由于結(jié)合差，含有的雜質(zhì)引起應(yīng)力集中導(dǎo)致部分纖維首先承擔(dān)載荷，受載纖維失效，然后其它纖維承擔(dān)載荷，又快速斷裂。
總之，加工過程中由于雜質(zhì)的混入，導(dǎo)致復(fù)合材料產(chǎn)生各種缺陷，如孔隙、分層等。所以，與無雜質(zhì)試樣相比，在同樣載荷條件下，由于模量更小，應(yīng)變更大．失效載荷也更小。當(dāng)然最終拉伸強度及模量還與其它因素有關(guān)，如纖維、基體性能，界面結(jié)合強度，孔隙含量，內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的分布情況等。
4 結(jié)論
實驗結(jié)果表明加工過程中水及脫模材料的混入能夠嚴(yán)重影響復(fù)合材料的拉、壓、彎、剪性能。因此在加工過程中，為制得符合性能設(shè)計質(zhì)量要求的產(chǎn)品，避免各種雜質(zhì)混入影響復(fù)合材料的可靠性，在確保原材料及制品設(shè)計合理的前提下，還應(yīng)對如下方面進(jìn)行有效控制與管理：
（1）對原材料的質(zhì)量進(jìn)行全面的檢驗，使用前儲存在潔凈、溫、濕度適宜的環(huán)境中；
（2）對制造復(fù)合材料所用設(shè)施、設(shè)備、模具進(jìn)行有效管理；
（3）保證作業(yè)場所清潔、通風(fēng)良好、溫、濕度適宜；
（4）對成型、固化工藝有效控制；
（5）操作人員有較高的技能。制定產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及工藝規(guī)程，在生產(chǎn)中嚴(yán)格執(zhí)行，只有這樣才能避免成型過程中各種缺陷的產(chǎn)生，確保復(fù)合材料制品質(zhì)量得到設(shè)計要求。
