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淺析樹脂基體配比對三維織物夾芯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響論文范文
1引言
三維織物夾芯復(fù)合材料是一種新型的輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，這種材料具有高強高模、隔熱耐壓、抗沖擊性好、整體性優(yōu)異、不易分層的特點，近年來在航空航天、交通行業(yè)以及建筑行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。
姚秀東等利用有限元軟件ANSYS，對增強型復(fù)合材料夾層板建立物理模型，研究樹脂柱分布和材料特性對芯層與而層間的應(yīng)力分布以及板豎向位移的影響;徐穎等采用剛度退化技術(shù)和改進(jìn)的ChanceChang失效準(zhǔn)則、顯式有限元法來模擬復(fù)合材料層合板受到低速沖擊下逐漸損傷的過程;張?zhí)觳爬У妊芯苛瞬煌浔染勖寻?酚醛胺環(huán)氧樹脂體系的力學(xué)性能，并采用DSC測試方法研究其固化過程，確定其固化工藝的溫度參數(shù)。Hosur等研究了三維整體中空復(fù)合材料的成型工藝，并對不同面板的材料進(jìn)行了低速沖擊實驗研究。
本文以100%E-Glass玻璃纖維為經(jīng)緯紗原料，采用改良后的三維織造工藝，在SUA598型全自動劍桿織樣機上織造三維夾芯織物，以環(huán)氧樹脂E-51、固化劑聚醚胺H023組成樹脂基體，利用手糊成型工藝，以樹脂基體配比(環(huán)氧樹脂:固化劑)為2:1:3:1:4:1制備三維織物夾芯復(fù)合材料。對3種樹脂基體配比的復(fù)合材料的壓縮性能與彎曲性能進(jìn)行研究，對比改良前的三維織造工藝與改良后的織造工藝所制備的材料的力學(xué)性能，得到一些有益的結(jié)論，為進(jìn)一步研究三維織物夾芯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能提供了實驗依據(jù)。
2試驗過程
2.1實驗材料與設(shè)備
無堿玻璃(E-Glass)纖維由泰山玻璃纖維有限公司提供，線密度為2400 Tex;環(huán)氧樹脂E-51由南通星辰合成材料有限公司提供;固化劑聚醚胺H023由無錫仁澤化工產(chǎn)品有限公司提供;潔模劑CX-500與脫模劑XTEND 807由北京科拉斯科技有限公司提供。
SUA598型全自動劍桿織樣機由江陰市通源紡機有限公司生產(chǎn);lOlA-4S型電熱鼓風(fēng)干燥箱由南京沃環(huán)科技實業(yè)有限公司生產(chǎn);Instron 3385H型電子萬能試驗機由美國英斯特朗公司生產(chǎn);5212型恒速攪拌器由上海申順生物科技有限公司生產(chǎn);JA2003型電子精密天平由上海著海儀器有限公司生產(chǎn)。
2.2三維夾芯織物的制備
2.2.1三維夾芯織物的設(shè)計(1)設(shè)計6根經(jīng)紗、26根緯紗作為三維夾芯織物的一個組織循環(huán)，復(fù)合材料的夾芯層高度為12mm，夾芯層間距為24mm。
(2)三層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)紗1,3織上面板層，經(jīng)紗2,4織下面板層，經(jīng)紗5,6織中間的夾芯層，按矩形方式接結(jié)為一整體，接結(jié)后的立體結(jié)構(gòu)網(wǎng)眼呈矩形，各層組織均采用平紋組織。
(3)本次織造采用改良的三維織造工藝，具有多綜眼、多開口、雙動程的優(yōu)點，上面板層與下面板層可以同時進(jìn)行引緯，所以實際引緯順序數(shù)只有18，大大增加了織造效率。
2.3三維織物夾芯復(fù)合材料的制備
三維織物夾芯復(fù)合材料的制備工藝如下:
(1)用清潔劑清洗模具，待干燥后在模具上涂覆一層脫模劑，3分鐘后再涂一層脫模劑，并把織物平鋪在模具上;
(2)將環(huán)氧樹脂E-51與固化劑聚醚胺H023分別以2：1：3：1：4：1的比例進(jìn)行混合，攪拌均勻，混合后的樹脂基體的總質(zhì)量均為300g;
(3)分別將三種配比的樹脂基體涂覆在對應(yīng)織物的上表而，讓其充分吸收一段時間后，將織物分別翻而，把乘」余的樹脂基體傾倒在織物上，用輥子滾壓均勻;
(4)將織物與模具同時放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，設(shè)定溫度為70℃，烘燥時間為8h，制得三維織物夾芯復(fù)合
3結(jié)果與討論
3. 1樹脂基體配比對力學(xué)性能的影響
3. 1. 1樹脂基體配比對壓縮性能的影響(1)三種樹脂基體配比的三維織物夾芯復(fù)合材料壓縮性能的應(yīng)力。
樹脂基體配比采用3:1，三維織物夾芯復(fù)合材料的壓縮強度最大。樹脂基體配比為2:1時，壓縮強度為1. 81MPa;樹脂基體配比為3:1時，壓縮強度為2. 32MPa;樹脂基體配比為4:1時，壓縮強度為1. 73MPa。這是由于環(huán)氧樹脂自身具有較高的交聯(lián)密度，是個內(nèi)應(yīng)力較大的脆性體系，存在著質(zhì)脆、韌性低的缺點，當(dāng)加入適量的(3:1)聚醚胺柔性組分時，降低了體系的內(nèi)應(yīng)力，提高了體系的抗壓能力，從而使壓縮強度增大。當(dāng)繼續(xù)提高聚醚胺組分時(如2:1),增加了交聯(lián)點之間的空間大小，降低了體系的交聯(lián)密度，從而使體系的內(nèi)聚強度也隨之降低，導(dǎo)致壓縮強度減。
(2)三種樹脂基體配比的三維織物夾芯復(fù)合材料的壓縮彈性模量。
隨著聚醚胺含量的減少，三維織物夾芯復(fù)合材料的壓縮彈性模量逐漸增大。當(dāng)加入適量的(如4:1)聚醚胺柔性組分，與環(huán)氧樹脂之間產(chǎn)生較好的協(xié)同效應(yīng)，明顯改善復(fù)合體系的力學(xué)性能;當(dāng)柔性組分繼續(xù)增加(如3:1:2:1)，更長的鏈段參與到固化反應(yīng)中，體系交聯(lián)密度降低，內(nèi)聚強度降低，從而壓縮彈性模量降低。
3. 1. 2樹脂基體配比對彎曲性能的影響(1)三種樹脂基體配比的三維織物夾芯復(fù)合材料彎曲性能的應(yīng)力。
樹脂基體配比采用3：1，三維織物夾芯復(fù)合材料的彎曲強度最大。樹脂基體配比為2：1時，彎曲強度為5. 08MPa;樹脂基體配比為3：1時，彎曲強度為6. 33MPa;樹脂基體配比為4：1時，彎曲強度為4. 79MPa。這是由于環(huán)氧樹脂體系是以剛性芳香胺為固化劑的脆性體系，加入適量的(3：1)聚醚胺組分后，體系呈剛性固化網(wǎng)絡(luò)與柔性固化網(wǎng)絡(luò)并存，當(dāng)受到外力作用時，柔性固化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能很好地產(chǎn)生應(yīng)力松弛效應(yīng)，有效抵抗體系的抗開裂能力，使體系呈現(xiàn)較高的彎曲強度。
(2)三種樹脂基體配比的三維織物夾芯復(fù)合材料的彎曲彈性模量。
隨著聚醚胺含量的減少，三維織物夾芯復(fù)合材料的彎曲彈性模量逐漸增大。當(dāng)聚醚胺含量越多時(如3：1：2：1)，柔性固化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在體系中所占的比例越多，增大了交聯(lián)點之間的空間，從而交聯(lián)密度降低，彎曲彈性模量降低。
3. 2三維織造工藝對力學(xué)性能的影響
3. 2.1維織造工藝對壓縮性能的影響分別對改良前的三維織造工藝與改良后的織造工藝所制備的復(fù)合材料的壓縮性能進(jìn)行測試。
對比改良前的三維織造工藝與改良后的織造工藝所制備的復(fù)合材料，后者的壓縮性能優(yōu)于前者。采用改良前的織造工藝，壓縮強度為U. 97MPa，壓縮彈性模量為7. 34MPa;采用改良后的織造工藝，壓縮強度為1. 81MPa，壓縮彈性模量為17. 29MPa。這是由于改良后的三維織造工藝具有多綜眼、多開口與雙動程的特點，上下面板層同時織造，中間的三維立體結(jié)構(gòu)網(wǎng)眼成型清晰，復(fù)合成型后的材料的上下面板層平整度更高，樹脂浸透效果更好，力學(xué)性能得到優(yōu)化， (1-6為經(jīng)紗順序數(shù)，工書為綜框順序數(shù))。
3. 2.2三維織造工藝對彎曲性能的影響分別對改良前的三維織造工藝與改良后的織造工藝所制備的材料的彎曲性能進(jìn)行測試。
對比改良前的三維織造工藝與改良后的織造工藝所制備的材料，后者的彎曲性能優(yōu)于前者。采用改良前的織造工藝，彎曲強度為4. 65MPa,彎曲彈性模量為98. 91MPa;采用改良后的織造工藝，壓縮強度為5. 08MPa，彎曲彈性模量為49. 24MPao
4結(jié)論
1.夾芯層高度、間距相同時，樹脂基體配比為3：1,三維織物夾芯復(fù)合材料的壓縮強度和彎曲強度最大。
2.夾芯層高度、間距相同時，隨著聚醚胺含量的減少，三維織物夾芯復(fù)合材料的壓縮彈性模量和彎曲彈性模量逐漸增大。
3.夾芯層高度、間距、樹脂基體配比相同時，對比改良前的三維織造工藝與改良后的織造工藝所制備的復(fù)合材料，后者的力學(xué)性能優(yōu)于前者。
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