阻燃改性玻璃纤维环氧树脂的热响应预报方法

为研究阻燃改性玻璃纤维环氧树脂复合材料在火灾环境下的热响应,考虑其在火灾环境下的热解过程,建立了热响应方程组,利用有限差分法计算分析单侧热流作用下的材料内部温度-时间历程与碳化规律。研究结果表明:建立的非线性热响应方程组可以有效预测玻璃纤维环氧树脂的温度-时间历程,与实验值吻合较好;阻燃改性玻璃纤维环氧树脂在相同热流工况下,材料内部温度略低于未改性材料;随着深度增加,阻燃改性玻璃纤维环氧树脂达到热解所需的时间更长,碳化过程变慢;热解反应区中不同深度位置的材料剩余质量分数在同一温度下不同,位置越深剩余质量分数越小,碳化程度越高。

基于UMATHT子程序的玻璃纤维环氧树脂三维热响应研究

基于UMATHT与USDFLD子程序构建了一个考虑复合材料的各向异性热传导、基体热解、热解产物扩散的复合材料热响应模型,研究了单侧热流环境下玻璃纤维/环氧树脂的热响应规律及在阻燃剂条件下的热反应速率。结果表明:热响应模型预测的温度变化历程和实验的测量值吻合较好,可有效预测玻璃纤维/环氧树脂的温度变化。在相同工况条件下,阻燃改性后的玻璃纤维/环氧树脂相比未改性材料,其温升速率有所降低,阻燃剂促进了热分解反应,使材料表面的密度迅速减小,形成焦炭,热分解率与热分解速率显著提高,剧烈热解区随时间逐渐向绝热面推移的现象更显著,从而达到吸收热量、推迟表面着火的阻燃效果。

玻璃纤维/环氧树脂复合材料燃烧特性研究

采用锥形量热仪、垂直水平燃烧试验仪、极限氧指数测试仪等手段研究玻璃纤维/环氧树脂复合材料在不同火灾环境下的燃烧特性。结果表明:随热辐射强度的增加,实验样品的平均点燃时间逐渐缩短,热释放速率和热释放速率峰值均增大,峰值出现时间提前,燃烧后残余率降低。由于玻璃纤维的抑制作用,复合材料总体质量损失幅度较小。实验样品在水平燃烧试验中未能点燃,在垂直燃烧试验中,平均烧焦长度48.3mm,移去火源后的平均焰燃时间为11.8s。氧指数试验显示,温度升高200℃后,其值降为室温氧指数的74.9%,表明在高温环境下复合材料更易被点燃。玻璃纤维的存在能够抑制环氧树脂的热解和燃烧。

玻璃纤维/环氧树脂复合材料热解特性研究

采用热重-差热分析仪研究玻璃纤维/环氧树脂复合材料在空气及氮气氛围下不同升温速率的热解特性规律。结果表明,在空气气氛下,热解分为两个阶段;氮气气氛下,热解只存在一个热分解阶段,与空气气氛相比热解初始分解温度较高,热解温度范围变窄,失重速率明显变大。在两种气氛下,玻璃纤维均不参与热解。随着升温速率的增加,热解反应各阶段的起始温度、终止温度、最大失重速率温度均向高温方向移动,热解温度范围大小都基本保持不变。氮气气氛下使用Kissinger法、FWO法和Starink法计算出玻璃纤维环氧树脂的平均表观活化能分别为106.42、123.09和119.48kJ/mol。复合材料活化能随转化率的增加而升高,表观活化能保持在一定数值范围内且数值相近,热解反应比较稳定,具有较低A值,表明其具有较强的热稳定性。

侧面封边对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料吸湿规律的影响

采用称量法和排水法联合,研究了侧面封边和未封边单向玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料层合板试件的吸湿量和体积变化率与浸泡时间的关系,结果显示,复合材料侧面吸湿的速度远大于表面吸湿速度;侧面封边复合材料试件的饱和吸湿量为1.30%,而未封边试件的为2.26%,即与侧面封边试件相比,未封边试件的饱和吸湿量(质量比)增加了73.8%;对于表观最大溶胀率,侧面封边复合材料试件的为0.67%,而未封边试件的为2.05%,即未封边试件的表观最大溶胀率(体积比)升高了200.1%。这些实验结果表明,复合材料吸湿存在开孔吸湿与闭孔吸湿两种机制,开孔吸湿以液态水的扩散为主,而闭孔吸湿以气态水的扩散为主。

玻璃纤维/环氧树脂基夹芯材料侧压性能数值模拟

为分析材料在侧压载荷下的失效机制及破坏模式,采用有限元软件ANSYS,建立了材料的细观结构模型,并进行侧压性能的数值模拟,探讨了材料在3 mm侧压位移载荷作用下复合材料、纤维和树脂基体的应力、应变分布情况。结果表明:玻璃纤维/环氧树脂基夹芯材料在侧压载荷作用下,从宏观角度分析发现,上下面板应力最大,最易发生压缩破坏;芯材应力最小,最不易被破坏;2排芯材间的面板最易发生失稳破坏,这是导致材料失效的最主要原因。从微观角度分析发现,纤维起主要承载作用,树脂起次要作用,当侧压位移载荷达到3 mm时,材料的破坏模式主要为树脂破裂、纤维与树脂严重脱黏等。

玻璃纤维增强环氧树脂低温收缩应变的计算模型及应用

设计了玻璃纤维增强环氧树脂(GFEP)在低温条件下收缩应变的计算模型,通过对GFEP进行低温实验,得到了GFEP的力学响应。结果表明:温度低于50 K时,随着温度的升高,GFEP的横纵向收缩率均变化不大;温度高于50 K时,随着温度的升高,其横纵向收缩率均增加较快;GFEP在-30℃时的拉伸强度、弹性模量较常温时大。实验测试数据与采用有限元计算的90°方向的应力-应变曲线比较吻合,两者的拉伸应力几乎无差别,验证了材料本构方程的正确性。引入有限元分析可以对GFEP的本构方程进行检验。通过Umat软件,可实现预测0°方向及90°方向材料的拉伸应力-应变曲线的非线性行为。

中等应变率下玻璃纤维-环氧树脂复合材料层合板强度预报

采用真空辅助成型工艺制备多种铺层角度的玻璃纤维-环氧树脂层合板试样,通过专用试验设备开展恒定应变率下面内拉伸、剪切性能的测试。建立中等应变率条件下单向层合板的拉伸和剪切强度数学模型,并通过最小二乘法开展基于实测数据的模型参数识别。以经典层合板理论和蔡-希尔强度准则为基础,推导并编制了MATLAB仿真计算程序,实现了玻璃纤维-环氧树脂层合板在轴向中等应变率下的拉伸强度预报,并通过试验验证了预报方法。结果表明预报值与试验结果吻合较好。该方法可以预报中等应变率条件下玻璃纤维-环氧树脂复合材料层合板的拉伸强度,预报精度满足工程应用的需求,可用于中等应变率下复合材料层合板铺层角度优化设计。

玻璃纤维增强环氧树脂力学性能研究

为了进一步提高玻璃纤维/环氧树脂(GF/EP)复合材料的机械性能,充分了解GF/EP复合材料在各种条件下的力学性能,通过使用ETM105D型微机控制电子万能试验机、Zwick/RoellZ005型万能材料试验机和分离式霍普金森压杆实验装置,对以环氧树脂(EP)为基体,以玻璃纤维(GF)为增强体的复合材料以不同的配比,分别进行了不同温度准静态载荷下及常温动态载荷下的压缩试验,得到了不同配比试样在不同温度下准静态压缩的屈服强度和在不同应变率下动态压缩的屈服强度.结果表明:在准静态载荷下,温度越高,试件的屈服强度越低,试件的弹性模量和屈服强度具有明显的温度依赖性;GF含量的增加,在一定程度上增大了试件的韧性;试样在一定应变率下,GF/EP试件并不具有应变率效应,但当应变率超过某个临界值时,又能体现出应变率效应.

水分含量影响玻璃纤维增强环氧树脂电树枝生长特性研究

绝缘拉杆是气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)断路器和隔离开关的关键部件,用于将运动从接地部分传送到高电位部分,以实现电气连接的通断。但在出厂试验、运输和安装过程中,绝缘拉杆容易吸收空气中的水分,造成局部受潮,影响其绝缘可靠性。该文以GIS绝缘拉杆用玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)为对象,研究了水分含量对GFRP电树枝生长特性的作用规律。结果表明,GFRP受潮后,电树枝通道数量增多,生长速度先减小后增大,电树枝会沿着垂直电场方向的界面发展。分析认为GFRP中水分侵入会导致界面处产生离子交换,破坏界面化学键,加之界面处存在较大的湿失配应力,造成界面脱粘、开裂等现象,降低界面的击穿场强;同时水分会提高界面处相对介电常数,在工频电压下造成局部电场畸变,使电树枝劣化加剧。

高含量GPTMS对玻璃纤维/环氧树脂复合材料脆性及吸水性能的影响

通过手糊的方法制备了γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)含量不同的玻璃纤维/环氧树脂(GF/EP)复合材料。结果表明:与未添加GPTMS的GF/EP复合材料相比,加入质量分数5%的GPTMS不仅提高了复合材料的机械性能,而且改善了其吸水性能。但是,随着GPTMS含量的增加,复合材料机械性能开始下降,吸水能力开始提升。玻璃纤维和环氧树脂界面结合强度的变化极大地影响了复合材料的机械性能和吸水量。此外,当GPTMS质量分数达到10%和15%时,可以明显观察到复合材料的脆-韧转变现象,这归因于复合材料自由体积的增加。

环氧树脂/玻璃纤维复合材料表面针孔研究

为解决复合材料表面针孔问题,研究了环氧树脂/玻璃纤维复合材料制件表面出现针孔与在工装表面施工脱模材料的关系,首次对针孔的形成和影响因素进行了理论分析,提出了减少表面针孔的方法。对今后类似零件制造改善针孔问题具有较大的借鉴意义。

套管用玻璃纤维增强环氧树脂老化后强度与色差演化研究

环氧树脂老化是高压套管常见事故,掌握高压套管外部环氧树脂老化规律,探索其老化监测手段对于高压套管服役具有重要意义。为此,对玻璃纤维增强环氧树脂(EP/GF)进行不同温度(85~145℃)180 h老化,采用拉伸与弯曲试验测试老化后样件强度,结合拉、弯实验断口形貌,分析其强度下降原因。利用比色计监测老化后色度、光泽度变化,建立色差变化与强度变化曲线,尝试提出采用色差监测老化程度的技术路线。结果表明:热老化降低EP/GF拉伸强度和弯曲强度,且温度越高下降越明显;同时EP/GF复合材料断裂形式从低温下塑性断裂转变为脆性断裂,其原因在于EP树脂老化引起的粉化,导致树脂与纤维出现分离。热老化同时带来明显的色差变化,因此采用色差变化来反映老化程度这一技术路线可行。

温度和压力对玻璃纤维增强环氧复合材料吸湿特性的影响

采用称量法研究了温度、压力对浸泡在水中的GF/E-51试件吸湿性的影响;通过短梁剪切实验研究了温度、压力和浸泡时间对GF/E-51剪切强度的影响,使用体视显微镜观察了浸泡60d后GF/E-51的截面形貌。结果表明:温度对试件的吸湿影响较大,与30℃时相比,50℃时的平衡吸湿量增了145.0%,扩散系数增加了47.6%,50%吸湿量以前的平均吸湿速率增加了3倍,温度升高,加速了GF/E-51试件吸湿由Fick扩散到非Fick扩散的转变;压力对复合材料吸湿及吸湿试样的剪切强度有明显的影响:压力升高,抑制了树脂基体的溶胀,延缓了GF/E-51试件吸湿由Fick扩散到非Fick扩散的转变,减轻了溶胀对剪切强度影响,浸泡60d后,剪切强度保留率保持不变,但5atm/30℃水中试件剪切强度保留率比1atm/30℃条件下高3.97%、比1atm/50℃条件下高5.17%。

偶联剂对玻璃纤维增强环氧复合材料吸湿及力学性能的影响

采用有机硅偶联剂KH550和KH560对玻璃纤维表面预处理或与基体混合,研究了偶联剂对玻璃纤维增强环氧复合材料(GF/E-51)的吸湿及力学性能的影响。结果表明,偶联剂KH550和KH560预处理法使平均吸湿速率分别下降了31.8%和59.4%,但对饱和吸湿量基本没有影响,而与基体混合则使饱和吸湿量分别增加了36.4%和17.1%;通过有机硅偶联剂KH550和KH560处理能显著提高干燥GF/E-51试件的层间剪切强度,而通过与基体混合,添加5%的KH550或KH560,使剪切强度分别提高了38.5%或55.6%;而通过对玻璃纤维表面预处理,KH550和KH560使剪切强度分别提高了16.9%和14.9%。但是,对饱和吸湿的GF/E-51试件,仅KH550对玻璃纤维表面预处理的一种GF/E-51试样的剪切强度提高了10.3%。

超导磁体绝缘用玻璃纤维真空热处理前后性能研究

Nb_(3)Sn超导磁体需要长时间640℃真空热处理才能形成超导相,对不同超导磁体绝缘结构使用的国产耐辐照玻璃纤维、HS/6高强玻璃纤维、美国S-2高强玻璃纤维在640℃真空热处理前后分别进行真空压力浸渍(VPI),探究国产玻璃纤维在640℃真空热处理后能否达到美国S-2高强玻璃纤维性能,满足Nb_(3)Sn超导磁体使用要求。测试其在室温下的拉伸、层间剪切强度,直流耐压击穿强度。真空热处理后,三种玻璃纤维增强树脂基复合材料拉伸、层间剪切强度都有大幅下降,HS/6高强玻璃纤维在热处理前后力学性能最好,保留率最高,满足使用要求;但HS/6高强玻璃纤维增强树脂基复合材料的电气强度比S-2高强玻璃纤维增强树脂基复合材料电气强度至少低40%,不能满足使用要求,耐辐照玻璃纤维增强树脂基复合材料丧失绝缘性能。

表面氟化的环氧/玻璃纤维复合绝缘的表面性能与耐放电性能

为了研究氟化温度对表面特性和耐放电性能的影响,在实验室反应釜中、使用氟气体积分数为12.5%的F2/N2混合气,对环氧树脂(DGEBA和聚醚胺体系)/玻璃纤维复合试片分别在25、55和85℃下进行了60min的氟化处理。衰减全反射红外分析表明氟化导致了试样表面化学组成和结构的本质变化及这些变化与氟化温度的关联。表面电导率和表面电位衰减测量一致地显示了这些表面氟化的试样比未氟化的试样(原试样)有较高的表面传导,且表面传导随氟化温度的升高而增加。接触角测量揭示了氟化使该复合绝缘的表面润湿性增加,但随着氟化温度的升高表面湿润性呈现降低的趋势。实验室环境中的交流闪络实验进一步表明了,这些表面氟化的试样比原试样有高得多的耐放电降解或起痕能力,但氟化未引起交流闪络电压明显的提高。另外,闪络实验结果同时显示这一耐放电性能与氟化温度的关联。

纤维方向对环氧树脂/玻纤复合材料导热性能影响

为研究环氧树脂/玻璃纤维(EP/GF)复合材料导热性能,首先针对各向同性模型,利用瞬态平面热源(TPS)法以及瞬态热线法研究了取样方式和位置对热导率的影响,并对两种方法测试结果的差异性展开讨论。针对各向异性模型,利用TPS法探讨纤维方向同热导率的关系,通过串并联模型验证测定结果,同时拟合不同温度下热导率,计算液氢温区EP/GF热导率。结果表明,EP/GF导热性能同取样方式相关,与取样位置无关;测试过程中EP/GF内部纤维纱线传递作用不同,造成两种测试方法测定结果的差异性;沿着纤维方向热导率大于垂直于纤维方向热导率;砂纸打磨后,树脂基体软化分解,玻璃纤维裸露,接触界面微凸体增多,造成EP/GF作支撑构件时其热导率随着磨损老化而增大。所得结论可为EP/GF用作支撑构件提供科学理论依据。

环氧树脂基预浸料热固化特征温度和固化度研究

基于固化动力学理论和有限元分析方法,建立了树脂基预浸料热固化过程中温度场研究的数学模型,数值模拟了预浸料固化过程的温度和固化度变化特征,将数值计算结果与已有文献实验结果对比,验证了计算模型和计算方法的正确性。研究了升温速率、玻璃纤维等因素对环氧树脂体系固化反应特征温度以及固化时间的影响。结果表明,升温速率增加,固化反应放热峰Tp向高温方向移动,同时固化起始温度Ti和固化终止温度Tf也相应地向高温移动,固化过程中材料内温度梯度增大,内部热应力增大。但提高升温速率可缩短固化完成所需时间。玻璃纤维的加入使树脂基预浸料各项固化反应特征温度降低,达到固化起始温度的时间延长,但对完成固化时间的影响可忽略。

激光辐照玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学剥蚀研究

根据实验现象,提出了计算力学剥蚀的模型和判据,将剥蚀过程分解为材料分层和层内断裂两个过程:对分层过程利用激光辐照玻璃纤维/环氧树脂复合材料的热力学模型计算,对层内断裂过程用板壳模型计算。利用实验结果验证了模型的合理性,计算结果表明,力学剥蚀过程极大地降低了烧蚀穿孔所需的能量,对激光辐照效应影响很大;功率密度较低时,烧蚀效率较高。