碳纤维_环氧复合材料弯曲模量影响因素的研究
2002年 2月
第32卷第1期山 东 工 业 大 学 学 报
JOURNAL OF SHANDONG UNIVERSITY OF TEC HNOLOGY Vo l. 32 N o. 1 Feb. 2002
碳纤维/环氧复合材料弯曲模量影响因素的研究
朱 波 蔡 李 霞
(250061 山东省济南市 山东大学材料科学与工程学院)
摘 要 就环氧树脂固化条件、碳纤维体积比、加载环境温度对碳纤维/环氧复合材料弯曲模量的影响作了系统研究. 试验结果表明, 弯曲模量与碳纤维的体积比基本上呈线性关系, 充分固化有利于提高碳纤维/环氧复合材料弯曲模量的稳定性.
关键词 碳纤维增强复合材料; 环氧树脂; 弯曲/弯曲模量中图分类号 TH145 文献标识码:A 文章编号:1000-5323(2002) 01-0016-03
INVES TIG ATION O F INFLUENCE FACTORS ON BENDING MO DULUS OF
CARBON FIBER/EPO XY
Z H U Bo CAI Xun LI Xia
(School of M ater. Sci. &Eng. , Shandong Univ. , Jinan City, Shandong Prov ince 250061, China ) ABSTRAC T The influence of carbon fiber volume fraction, curing condition, and loading temperature on bending modulus of carbon fiber /epoxy composites w as systemically investigated. Experiment results show ed that the bending modulus via carbon fiber volume fraction indicated a liner relationship, and the complete curing w as helpful to im prove the bending modulus stability of carbon fiber /epoxy composites.
KEY WORDS Carbon fiber reinforced composites; Epoxy resin; Bending/Bending modulus
0 前言
碳纤维增强聚合物具有高比强度、比模量、耐疲劳、耐腐蚀等优异特性, 特别是近年随碳纤维性能的提高, 产量的增加, 价格的下降, 日益广泛应用于各个领域内, 作为高性能结构件而取代传统的金属材料.
作为结构件的复合材料往往对刚度及其热稳定性及长时间使用的可靠性等要提出高标准的要求. 为此本研究针对碳纤维/环氧复合材料的纤维体积比、固化条件及加载环境温度等对复合材料沿纤维方向弯曲模量的影响作了研究与分析.
1 试验方法
(1) 原材料
ST 300碳纤维, 山东天泰新材料股份有限公司生产;
环氧树脂(E51) 、固化剂(甲基四氢苯酐) 、促进剂(DMP-30) , 上海树脂厂提供.
树脂体系配比为:固化剂80%, 促进剂3%.(2) 三点弯曲试样中纤维沿轴向分布, 截面为矩形.
(3)三点弯曲试样在带加热套的试验机上进行.
(4) 弯曲模量E 按下式计算
收稿日期:2001-11-27
第1期朱波等:碳纤维/环氧复合材料弯曲模量影响因素的研究 17
43
E =[+]
f m ax J 38448
其中, f max , 为矩形试样的最大挠度; q , 为试样单位长度的重量;
l , 为二支点间跨距; P, 为试样中点的集中载荷;
J =bh /12, 为矩形截面惯矩; b , 为试样宽度; h , 为试样高度.
3
对于碳纤维增强复合材料, 由于碳纤维纵向模量E f 几乎无粘弹性, 且远大于树脂基体的松弛模量, 故基体对复合材料模量的影响可近似看作是一个常数, 故上式可简化为:
E (t) =c +V f #E f
致的.
2. 2 固化温度及时间对弯曲模量的影响
为了考察不同固化时间下弯曲模量的变化规律, 本研究采用较高固化温度(175e ) , 不同固化时间对弯曲模量的影响作了对比性研究, 其结果如图2所示.
由图2可见, 弯曲模量随固化时间的延长而增加, 但30min 后, 模量的提高渐趋平缓.
碳纤维增强环氧树脂固化后的弯曲模量与树脂固化剂的种类, 固化温度及时间有关, 这主要涉及树脂基体的化学结构和固化物交联密度, 环氧树脂固化物的交联点间分子量越小, 交联密度越高, 模量也越高, 随反应温度与时间的增加交联反应程度增加, 交联密度也越大. 对本研究用树脂体系在100~120e 交联密度能在短时间内急剧增加[4], 但超过一定反应温度及
(3)
由此可见, 试验回归结果与理论分析基本是一
2 试验结果与分析
2. 1 增强纤维体积比对弯曲模量的影响
试验得出碳纤维体积比V 与弯曲模量间关系如图1所示
.
图1 碳纤维体积比V 与弯曲模量E 间关系
Fig. 1 Relationship betw een carbon fiber fraction V and bending
modulus E
时间后, 交联密度的提高趋于平缓, 力学性能的变化也趋于平缓.
由于交联反应温度升高, 达到同样的交联密度
从图1可看出, 在其它试验条件相同的情况下, 弯曲模量与纤维体积比基本上呈线性关系. 利用单纯形法对试验数据进行回归系:
E =4. 11+274. 3V f
主要取决于碳纤维的体积比模量.
因为以粘弹性树脂为基体的连续纤维增强复合材料也具有粘弹性, 且其力学性能随纤维方向有明显变化, 所以对平行于纤维方向的松弛模量在一定的试验温度下可以通过待定应变E 0与应力响应R (t) 定义给出[2~
E (t) =
4]
[1]
所需时间可以缩短, 这对快速拉挤成型有及其重要的指导意义.
, 得到如下数学关
(1)
由上式可见, 碳纤维/环氧复合材料的弯曲模量
图2 不同固化时间对弯曲模量的影响
F ig. 2 Effect o f so lidification time on bending modulus
=V f #E f +(1-V f ) #E m (t) 0
(2)
2. 3 环境温度对弯曲模量的影响
不同试验温度下, 对三种不同固化时间的碳纤维/环氧树脂复合材料的弯曲模量进行了试验测试, 结果如图3所示.
其中, t , 为松弛时间; V f 及E f , 分别为增强纤维的
; m
18山 东 工 业 大 学 学 报2002年
时间的延长先略有升高, 尔后基本保持不变.
3 结论
(1) 碳纤维/环氧复合材料的弯曲模量与碳纤维的体积比有关, 如简化基体树脂对模量的影响为一常数, 这种关系基本上呈线性.
(2)充分固化能显著提高复合材料的弯曲模量.
(3) 复合材料的弯曲模量与环境温度有关, 随环境温度的升高, 弯曲模量呈下降趋势, 但对固化不
图3 试验温度对弯曲模量的影响
Fig. 3 Effect of ex periment temperatur e on
bending modulus
充分的材料, 先随温度增加而略有升高, 尔后下降. 弯曲模量在120e 左右急剧下降, 在150e 以后又趋平缓. 因而碳纤维/环氧复合材料使用温度不宜过高.
(4) 碳纤维/环氧复合材料在100e 以下的热稳定性良好. 固化较充分的材料, 弯曲模量基本保持不变, 因而对快速拉挤成型工艺而言, 在模内预固化后必须在一定温度下再进行一定时间的后固化处理.
参 考 文 献
[1] 董德元等. 试验研究的数理统计方法[M]. 北京:中国
计量出版社, 19871308~319.
[2] 王震鸣等主编. 复合材料及其结构的力学进展[M ]:第
三册. 武汉:武汉工业大学出版社, 1992145~60. [3] 赵渠森编译. 复合材料[M ]. 北京:国防工业出版社,
19791204~257.
[4] Zhu X G, Leung W P. Elastic Moduli of U nidirecti onal Car -bon F i ber Composites[A ].In:Proc. of Inter. Symp. on Composi te Material s and Structures[C].1986, 135~140. [5] 陈平, 刘胜平编著. 环氧树脂[M ]. 北京:化学工业出版
社, 19991176~184.
由图3可见, 总的趋势是弯曲模量随温度的升高而下降. 对固化不充分的复合材料其弯曲模量先略有上升, 至100e 左右后开始下降, 这可能和交联密度继续增加的现象有关.
对固化充分的复合材料, 在100e 以下, 模量的变化较平缓, 在120e 左右有急剧下降趋势, 在150e 以上, 又达一平缓水平. 上述现象与树脂固化物对温度的依赖关系相吻合, 因聚合物在玻璃态, 弹性模量随温度下降很少, 在玻璃化转变区急剧下降[5]. 这种现象也必然导致复合材料模量的急剧下降.
2. 4 加载时间对弯曲模量的影响
通过测量不同加载时间下, 弯曲模量的变化规律, 得到如图4所示试验结果
.
作者简介 朱波, 男, 1969年8月生, 副教授, 1996年毕业于北京科技大
图4 弯曲模量与加载时间的关系
F ig. 4 Relatio nship betw een bending modulus and
loading time
学获博士学位. 主要研究方向:高性能碳纤维及其复合材料. 蔡
, 女, 1971
年生, 讲师, 现主要从事计算机在材料科学中的应用研究. 李霞, 女, 1977年生, 硕士研究生.
加载时间对弯曲模量的影响与固化程度及环境温度有关, 固化充分的材料, 其弯曲模量随时间的延