典型海洋环境碳纤维增强树脂基复合材料老化规律研究

目的研究典型海洋大气环境下碳纤维增强树脂基复合材料的老化规律。方法针对一种典型舰船用碳纤维增强树脂基复合材料,在青岛、厦门和三亚海洋大气环境下开展0.5、1、1.5、2a的自然曝晒试验。基于拉伸、弯曲和剪切强度等力学性能演变数据,采用灰关联分析方法构建环境损伤因子Rr,以综合评价其性能退化情况。结合形貌与傅里叶红外光谱,分析其老化损伤机制。结果及结论海洋大气环境下,碳纤维复合材料表层树脂发生老化降解,该过程主要源于酯基的水解,水解产物有多元醇类和多元羧酸类化合物等,这导致复合材料内部纤维外露,且随时间增加和纬度降低,表面降解减薄程度增大。各地的环境损伤因子Rr表明,经青岛和厦门长周期暴露试验后,在光氧老化和湿热老化等环境“损伤效应”主导作用下,其力学性能随时间呈下降趋势;三亚恶劣海洋环境则更早地对复合材料造成老化损伤,0.5 a起力学性能即单调下降。

碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料界面性能研究

采用改性上浆剂对SCF-35S-48K碳纤维上浆,分析了上浆工艺对上浆碳纤维的表面形貌和碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料界面性能影响。复合材料的微观结构和层间剪切性能结果表明:上浆层对碳纤维起到了一定的保护作用,碳纤维表面平整、可加工性好,与树脂基体的界面黏结性好,复合材料的层间剪切强度达到68.18 MPa,比未上浆碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料高7.56%,满足复合材料应用要求。

真空辅助RTM成型技术应用及适用树脂体系

简要介绍了真空辅助RTM技术(VARTM)对其所需树脂体系的基本要求,该技术在国内外的应用情况,并对适用于该技术的树脂体系进行综述。

碳纤维/乙烯基酯树脂拉挤复合材料基体固化体系的研究

采用差示扫描量热法（DSC）分析了不同固化剂配方体系的乙烯基酯树脂固化反应特征,研究了固化放热量、固化程度及其浇铸体力学性能的关系,并对模压和拉挤成型碳纤维复合材料的力学性能进行评价,结果表明联用固化剂可使固化温度范围变窄,提高固化放热量。放热量能基本反映树脂的固化程度,直接影响浇铸体及复合材料的力学性能。

抽油杆用CF/VE拉挤复合材料在盐溶液中的老化机理

文中研究了 95℃盐溶液 (3%NaCl水溶液 )中油田抽油杆用碳纤维 /乙烯基酯树脂 (CF/VE)单向拉挤复合材料的吸湿特性 ,以及材料的静态力学性能和动态热机械性能的变化 ,并用SEM观察了弯曲断口形貌。结果表明 ,该复合材料的吸湿行为符合菲克第二定律 ,材料的平衡吸湿率Mm 约为 0 778% ,水分在该复合材料中的扩散系数约为 4 988× 1 0 -6mm2 /s;复合材料的性能下降趋势与吸湿率的增加趋势相对应 ,浸泡 1 1 76h后 ,弯曲强度和层间剪切强度的最终保留率分别约为 6 3%和 6 6 % ;DMTA及SEM结果表明 ,复合材料的性能变化是由基体溶胀塑化、界面脱粘以及基体、界面的形貌变化引起的 。

乙烯基酯树脂基碳纤维连续抽油杆的研制

研制的碳纤维连续抽油杆以乙烯基酯树脂为基体 ,碳纤维为增强体 ,采用拉挤成型工艺 ,杆体截面尺寸有 3 0×3、 3 2× 4 2和 3 5mm× 5mm 3种规格。对碳纤维连续抽油杆的力学性能和耐温性能的分析测试表明 ,其拉伸强度达到 2 0 0 0MPa,层间剪切强度 64MPa,材料的玻璃化转变温度Tg 为 1 3 8 6℃ ,杆体经 1 0 7次动态疲劳试验后强度保留率仍有 90 %。现场采油试验表明 ,碳纤维连续抽油杆比钢制抽油杆节能 3 0 %～ 5 0 %。

超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维混杂复合材料研究

研究了在层内和层间两种混杂方式下,T300与表面处理前后的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维混杂复合材料的弯曲强度和ILSS的变化,结果表明层间混杂复合材料的黏结性比层内混杂好。在相同的混杂方式下,采用未处理的DC88纤维、合成的VE树脂,混杂复合材料的ILSS比E 51体系提高25%以上。采用VE树脂和处理后DC88/T300层间混杂,控制含胶质量在40%时,ILSS达到42 5MPa,是未处理的DC88/E 51体系的ILSS的5倍。混杂复合材料密度在1 12～1 24g/cm3之间,在航空航天结构材料减重上有良好的应用前景。

转相乳化法制备乙烯基酯树脂炭纤维上浆剂

以乙烯基酯树脂与端环氧基反应型液态丁腈橡胶为主浆料,采用转相乳化法制备乳液型炭纤维上浆剂。探讨乳化剂种类、质量比、乳化温度、搅拌速率和溶剂对乳液性能的影响。结果表明:当乳化剂壬基酚聚氧乙烯醚磷酸铵与蓖麻油聚氧乙烯醚质量比为3∶1,乳化剂质量分数为主浆料的10%、乳化温度为50℃、搅拌速率为10000r/min、苯乙烯质量分数为主浆料的50%时,乳液稳定性最高,平均粒径0.068μm。离心沉淀分数为8.67%,Zeta电位为53.24mV,表面张力为32mN.m-1。电导率在转相时突增,转相后电导率趋于平稳,体系发生完全相反转。

碳纤维/树脂基复合材料导电性能研究

研究了短切碳纤维/乙烯基酯树脂导电性与短切碳纤维含量、长径比、纤维取向的关系及其PTC效应。短切碳纤维长径比越大、取向角越小,材料的渗虑阈值越低,导电性越好。渗虑阈值之后,纤维含量越低,PTC效应越明显,转变温度越低;实验还发现体积膨胀是导致PTC效应的主要因素之一,通过分析PTC效应与体积膨胀之间的关系,得出渗滤区域材料的导电性受导电通路与隧道效应的综合影响,当纤维含量较高时,导电性能基本只受导电通路的控制。

玻璃纤维增强环氧乙烯基酯树脂基复合材料的热老化性能

对玻璃纤维增强环氧乙烯基酯树脂基复合材料进行了高温老化试验,分析了随着老化时间的延长,材料的表面形貌、巴氏硬度及力学性能的演变规律,同时采用傅立叶变换红外光谱、X射线光电子能谱和扫描电子显微镜对老化前后复合材料的化学结构、表面元素含量及老化前后材料拉伸断面形貌变化进行了分析。结果表明,随着老化时间的增加,材料表面颜色不断加深,并出现龟裂和翘曲变形以及纤维凸出在表面;巴氏硬度保留率随着老化时间的延长呈现先增大后减小的趋势,在老化28 d时,巴氏硬度保留率下降4.3%;试样的拉伸强度保留率和弯曲强度保留率随着老化时间的延长,呈现先增大后缓慢降低的趋势,在老化28 d时分别下降6.14%和9.23%;试样在老化过程中没有新的物质生成,但其化学元素含量发生了变化,说明了复合材料发生了化学反应,其化学结构发生了变化;试样表面树脂脱落面积和空隙量逐渐增多;经过高温老化后的试样拉伸断裂后,整体断面形貌不规则,并且随着老化时间的增加,树脂含量逐渐减少。

PVP塑性界面层对CF/VE复合材料性能的影响

用热塑性聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对商用炭纤维(CF)表面进行不同的涂覆处理后,制备了炭纤维/乙烯基酯树脂基单向复合材料(CF/VE)。研究了PVP塑性界面层对复合材料的层间剪切强度(ILSS)、弯曲性能、断口形貌及动态热机械性能的影响。结果表明,在炭纤维保持原环氧上胶层的基础上直接涂覆PVP时,复合材料的ILSS和弯曲性能提高,纤维与乙烯基酯树脂基体的粘结性能得到改善;炭纤维脱除原环氧上胶层后涂覆PVP时,复合材料的ILSS和弯曲强度降低,纤维与基体的粘结性能变差;塑性PVP界面层的存在使复合材料的玻璃化转变温度(Tg)和弯曲模量提高,储能模量(E′)和能量损耗增大。

CE/EP/CF复合材料的湿热性能研究

采用溶液预浸渍法分别制备了两种碳纤维(CF)增强环氧树脂(EP)改性氰酸酯树脂(CE)(CE/EP/CF)复合材料,研究了该复合材料的吸湿行为及湿热环境对其力学性能和微观结构的影响。结果表明,CE/EP基体具有比EP更小的吸湿能力;湿热环境对CE/EP/CF复合材料的纵向拉伸强度影响不大,但对其层间剪切强度的影响较为显著。

高性能M40J/BADCy复合材料的研究

对E51环氧树脂改性双酚A型氰酸酯(BADCy)体系的力学性能及热性能进行了研究,发现当E51环氧树脂的质量含量为5%时,改性体系的弯曲强度和冲击强度分别由原来的95 6MPa和9 24kJ/m2提高到了117 8MPa和12 6kJ/m2,而热变形温度仅下降8℃。以该改性体系为基体制作的M40J复合材料,其弯曲强度、模量和剪切强度分别高达:1270MPa,172GPa,68 9MPa。消泡剂BYK141能提高M40J/BADCy复合材料的力学性能,层间剪切强度可提高到77 1MPa。M40J/BADCy复合材料还具有良好的耐环境能力,是一种理想的航空航天结构材料。

温度对CF/VE复合材料等温固化过程及其性能的影响

用DMTA和DSC扫描了碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料在不同温度下的等温固化过程,然后再次用DSC扫描其后固化过程,用DMTA温度谱扫描其后固化前后的样条;制备碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料浇注体,测试其力学性能。结果表明,等温固化温度低时固化过程中有相分离现象,后固化能使90℃下等温固化复合材料的层间剪切强度提高55.64%,而对120℃下等温固化复合材料的层间剪切强度作用不大。

耐高温可增稠乙烯基树脂的合成及应用

采用苯乙烯稀释法,制备了一种耐高温可增稠乙烯基树脂。通过分析甲基丙烯酸与环氧基的摩尔比及苯乙烯含量对树脂的性能影响,并与国外同类产品进行弯曲强度和热分析对比,结果表明:当n(甲基丙烯酸)∶n(环氧基)=0.85∶1时,合成的树脂有较好的增稠性。当苯乙烯质量分数为40%,其浇铸体热变形温度为213℃,树脂粘度适中。与国外同类产品相比,自制树脂制备的塑料弯曲强度保留率稍高,通过割线法计算得到自制塑料的温度指数与国外样品的相当,可以替代国外同类产品在高温环境下的应用。

环氧改性水性聚氨酯上浆剂对碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面性能的影响

使用自行合成的环氧改性水性聚氨酯(EWPU)上浆剂对碳纤维进行表面处理,主要研究了EWPU上浆剂对碳纤维表面及碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面性能的影响。采用扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和静态接触角等表征方法对比研究了二次上浆处理前碳纤维(CF)和处理后碳纤维(MCF)的表面形貌、表面化学元素组成和浸润性的变化,并通过单纤维破碎实验和短梁剪切法,研究了EWPU上浆剂对碳纤维/氰酸酯树脂复合材料界面力学性能的影响。结果表明,经EWPU上浆处理后碳纤维表面O/C值增加了39.13%,表面活性官能团的含量增加了14.97%,碳纤维与树脂的初始和稳态接触角分别减小了19.41%和20.59%,碳纤维/氰酸酯树脂复合材料的单丝界面剪切强度和层间剪切强度分别增加了13.42%和14.29%。

不饱和聚酯玻璃钢与环氧乙烯基酯玻璃钢耐久性能试验研究

采用湿热老化、冻融循环及紫外老化等加速试验方法,通过质量变化率、弯曲强度保留率及SEM分析,对189不饱和聚酯玻璃钢及MFE-2环氧乙烯基酯玻璃钢在海洋环境中的腐蚀机理和耐久性进行了详细研究。试验结果表明,湿热老化150d后,189不饱和聚酯玻璃钢及MFE-2环氧乙烯基酯玻璃钢的质量变化率分别为-6.03%和0.31%,弯曲强度保留率分别为26.2%和47%;紫外老化300h后,弯曲强度保留率分别为84%和94%;1000次冻融循环后,弯曲强度保留率分别为30%和65%。基体树脂分子链上酯基的密度是影响玻璃钢在海洋环境中耐久性的关键因素,MFE-2环氧乙烯基酯树脂分子链上酯基的密度约为189不饱和聚酯树脂分子链上酯基密的1/3,所以MFE-2环氧乙烯基酯玻璃钢在海洋环境中具有更好的耐久性。

环氧涂层处理高模量碳纤维/氰酸酯复合材料

采用表面预涂环氧E51树脂的方法制备了具有层间柔性缓冲层的M40增强双酚A型二氰酸酯(BADCy)复合材料单向板。FT-IR、SEM及力学性能分析表明,高温下(>180℃)环氧E51与BADCy反应形成柔性好且线胀系数(CTE)较低的五元噁唑烷酮环能有效地松弛复合材料界面间的层间应力。当E51处理液的浓度为10%时,M40/BADCy复合材料的层间剪切和弯曲强度分别由原来的69.8和1 080 MPa增加到78.1和1 110 MPa,提高了约12%和3%。

玻璃纤维/溴化环氧乙烯基酯复合材料的加速光老化研究

研究了玻璃纤维增强溴化环氧乙烯基酯树脂复合材料(GFRC)光老化前后力学性能及其变化规律;用SEM和XPS对GFRC的表面微观形貌及元素变化进行检测分析;FTIR和同步热分析用来研究树脂光老化过程中的分子结构的变化规律和高温分解情况。结果表明,加速光老化之后GFRC的力学性能变化不大,有较好的拉伸强度、弯曲强度和压缩强度保留率;加速光老化过程中GFRC表面的树脂发生较明显的变化,出现了颜色变深,树脂脱落等老化现象;由于玻璃纤维的存在阻止了GFRC内部树脂基体的进一步老化。

玻璃钢复合材料基体树脂的发展现状

本文主要介绍玻璃钢复合材料基体树脂近几年发展情况,介绍基体树脂改性和应用,主要包括:不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂,还简单介绍了热塑性基体树脂及应用。