玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料各项性能的研究

玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料各项性能的研究玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料各项性能的研究 玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料各项性能的研究齐齐哈尔大学摘 要玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料 种类繁多 优点是 绝缘性好 耐热性强 抗腐蚀性好 机械强度高 但缺点是性脆 耐磨性较差 并不适于作为结构用材 但若抽成丝后 则其强度大 为增加且具有柔软性 配合树脂赋予其形状以后可以成为优良之结 构用材 本文将对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的的研究现状及研究方 向进行分析 为新的研究方向探索道路 关键词玻璃纤维环氧树脂复合材料研究现状研究方向 1 前言玻璃纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强 疲劳性能 耐 久性能和电绝缘性能好等特点 在各个领域都有着广泛的应用 用 玻璃纤维和环氧树脂可以制造层合制品 是一类性能优良的绝缘材 料 广泛用于电力 电器 电子等领域 玻璃纤维增强树脂基复合 材料由于具有高比强度 比模量 而且耐疲劳 耐腐蚀 最早用于飞机 火箭等 近年来在民用方面发展也很迅猛 在舰船 建筑和体育器械等领域得到应用 并且用量不断增加 其中 环氧树脂是先进复合材料中应用最广泛的树脂体系 它适用 于多种成型工艺 可配制成不同配方 调节粘度范围大 以便适应 不同的生产工艺 它的贮存寿命长 固化时不释放挥发物 同化收缩率低 固化后的 制品具有极佳的尺寸稳定性 良好的耐热 耐湿性能和高的绝缘性 因此 环氧树脂 统治 着高性能复合材料的市场目前 复合材 料输电杆塔已在欧美和日本得到应用 其中以美国的研究开发和应 用最为成熟 我国在20世纪50年代对复合材料电杆进行过研究 鉴于当时材料性 能和制造工艺的限制 复合材料电杆未能得到推广使用 近年来 随着复合材料技术的飞速发展和传统输电杆塔的缺陷逐步 显露 电力行业开始重视复合材料杆塔的应用研究 随着电网建设的快速发展 出现了全国联网 西电东送 南北互供 的建设格局 输电线路工程口益增多 对钢材的需求越来越大 消 耗了大量的矿产资源和能源 在一定程度上加剧了生态环境破坏 并且 线路杆塔采用全钢制结构 存在质量大 施工运输和运行维 护困难等问题 因此 采用新型环保材料取代钢材建造输电杆塔得到了输电行业的 关注 玻璃纤维增强树脂基复合材料 具有高强轻质 耐腐蚀 耐久性能 和电绝缘性好 易维护 温度适应性强 性能可设计 环境友好等 特点 成为输电杆塔结构理想的材料 日益受到围内外电力行业的关注 目前 纤维增强复合材料输电杆塔由于其优良的综合性能已在日本 和欧美地区得到应用 其中美国的研究开发和应用较为成熟 已制 定了相关的产业标准 美国土木工程师学会已制定了输电杆塔中FRP 产品的应用标准 在输电杆塔中推广应用复合材料不仅能减少对矿产资源的破坏 保 护环境 而且易于解决输电线路的风偏和污闪事故 提高线路安全 运行水平 同时减小塔头尺寸 降低线路的维护成本 2 低温性能研究 2 1单向复合材料板的制作首先 取一定数量加热的环氧树脂 然 后 加入增韧剂和稀释剂 在65 下搅拌l h后 冷却至室温 再缓慢加入固化剂 加入固化剂时 需边加入边搅拌 当固化剂与环氧树脂充分混合后 进行十燥并降至室温呈粉状填料 与树脂均匀混合 得到环氧树脂胶 为使复合材料的结构与性能在制品中充分发挥作用 必须选择合适 的工艺方法HJ 根据实验条件 采用手工缠绕成型法 通过浸胶 缠绕和固化等工 序制备单向增强复合材料 材料成型工艺参数为120 2h 160 4h 利用WD一100B型微机控制电子万能试验机检测试样相关力学性能 2 2实验结果与分析 1 复合材料的常温力学性能用电子万能试验机对玻璃纤维含量不 同的复合材料进行弹性模量 纵向和横向拉伸强度和压缩强度检测 研究发现玻璃纤维增强环氧树脂单向复合材料力学性能随着纤维 含量增加而增强 当纤维含量较少时 复合材料的性能增加幅度不 大 但当纤维含量达到50 时 复合材料获得较好的综合力学性能 这是因为当纤维数目较少时 其承担的应力也相对较少 并且由 于纤维的加入 切断了原来连续的基体 在树脂中形成一定数日的 缺陷 不利于弹性模量的增加 当纤维增加到一定程度并均匀地分布在树脂基体中 纤维较好地承 担起受力作用 由于纤维和基体界面结合 纤维的变形受到基体的限制 而纤维也 阻止基体的变形 从而使复合材料获得很好的强化 但当纤维含量过多时 部分纤维不能被树脂充分浸润 从而在材料 中形成许多结合较弱的界面 当材料受力时 这些界面容易脱附拔 出 应力传递失效 性能下降 S玻璃纤维的综合力学性能均高于E玻璃纤维 尤其是纵向力学性能 明显高于E玻璃纤维复合材料 是因为纤维增强复合材料纵向力学性能直接取决于增强纤维 故采 用高强度S玻璃纤维增强的单向层合板的纵向拉伸 压缩强度高于E 玻璃增强的单向层合板 而纤维增强复合材料的横向 垂直纤维方向 力学性能直接取决于树 脂基体的性能 j 凶此 复合材料在横向上的强度比纵向低很多 拉伸强度为MPa级 2 复合材料的低温力学性能由复合材料的常温力学性能试验可知 当玻璃纤维体积含量为50 时 该材料的性能较好 故对含50 玻璃纤维的复合材料在4K 76K的力学性能作进一步检测并与室温 2 98K 的力学性能进行比较 可以看出 随着温度的降低 复合材料的纵向拉伸强度和纵向压缩 强度均呈增加趋势 拉伸性能方面 当温度降到76K时材料的强度值最高 S玻纤 环氧 复合材料的拉伸强度最高值可达2 1GPa E玻纤 环氧复合材料的 最大拉伸强度为1 4GPa 压缩性能方面 S玻纤和E玻纤 环氧复合材料均随温度降低而升高 虽然S玻纤 环氧复合材料的压缩强度更高 但随温度的降低 E 玻纤 环氧复合材料的压缩强度值增加更显著一些 分析其主要原因 是由于纤维 树脂基体在复合过程中所形成界面 的粘接强度直接影响复合材料的力学性能 界面粘接作用形成的方式包括共价键 比较弱的范德瓦耳斯键以及 界面摩擦力 而纤维和基体之间的粘接性和摩擦力则依赖于材料表 面浸润性和横向挤压力作用 随着温度的下降 纤维 树脂收缩不同会影响界面摩擦力和粘接性 连接作用的大小 从而影响界面的粘接强度 低温下玻璃纤维的横向收缩比树脂基体小 界面摩擦力得到增强 所以 低温下玻璃纤维增强复合材料能获得高的界面粘接强度 从 而使玻璃纤 环氧复合材料的低温力学性能得到明显提高 可见 把对纤维进行表面处理来提高复合材料界面强度 作为提高 复合材料综合力学性能的重要手段 2 3结论 1 玻璃纤维增强环氧树脂单向复合材料力学性能随着纤维含量增加 而增强 当纤维体积含量为50 时 复合材料具有较好的综合力学 性能 2 随着温度的降低 复合材料的拉伸强度和压缩强度均呈增加趋势 当温度降到76K时材料的强度达到最高值 S玻纤 环氧复合材料的 拉伸强度最高值可达2 1GPa E玻纤 环氧复合材料的最大拉伸强 度也达到1 4GPa 3 经过分析 玻纤 环氧复合材料随温度降低性能升高的原因是低 温下玻璃纤维的横向收缩比树脂基体小 界面摩擦力得到增强 从 而获得高的界面粘接强度 使其综合力学性能得到明显提高 3 介电特性的研究 3 1玻璃纤维增强树脂基复合材料介电性能的影响因素 1 树脂基体选择介质材料用低介电常数复合材料基体的原则是 1 树脂分子中化学键的极性小 2 极性化学键的含量低 3 分子带有较多支链 可以增大材料的自由体积 降低极性键的浓 度 但在实际应用中 除了考虑介电性能外 还必须同时考虑机械性能 耐温性 吸湿性和加工工艺性等 除上述热固性树脂外 聚四氟乙烯分子不带极性 具有优异的介电 性能 其介电常数很小 在一40 250 5 10GHz内稳定在2 1左 右 介电损耗角正切也很小 为10叫 10 5数量级 优异的介电性能使其作为透波复合材料应用具有明显的优势 近年 来众多科学工作者对其进行了大量研究工作 并将其开发应用推进 到了一个新的阶段 2 界面的影响复合材料中 纤维与树脂基体间的界面是应力 应 变及电压在基体和纤维间有效传递的桥梁 良好的界面能够提高复 合材料的力学性能和介电性能 降低材料的吸湿率 复合材料中 纤维与树脂的界面对材料介电性能的影响可以用界面 极化来分析 界面极化是指在非均匀介质系统中 当两种介质的介电常数和电导 率不同时 在两种介质的界面上将有电荷积累 从而产生相应的极 化 非均匀介质宏观性质既与构成它的各组元本身的性质有关 也与各 组元的形状及混合方式有关 界面的微观结构少见理想的表述与模型 只能通过材料的宏观性能 反映 3 2玻璃纤维增强树脂基复合材料介电性能研究进展PTFE具有极为 优异的介电性能 宽广的工作温度范围 极小的吸水率 良好的非 炭化烧蚀性 极好的耐化学腐蚀等综合性能 是开发透波材料的理 想基体 但是由于成型加工困难 机械性能较差 限制了其广泛应用 近年来 国外在Pn E基透波复合材料的研究中 采用纤维 织物 增 强解决眦机械性能差的缺点 同时系统进行了环境因素对材料介电 性能的影响 成型工艺及界面改性 耐热性提高等研究工作 力图 实现高透波率 耐环境性 成型工艺及力学性能的统一 美国 俄罗斯等国已开发出几种透波材料体系 在航天飞行器无线 电系统中有一定应用 我国有关研究工作相对薄弱 主要进行了成型工艺改进 界面改性 耐烧蚀透波研究等 氰酸酯树脂由于具有低介电常数 低介电损耗 且吸湿率低 耐温 性好 也成为高性能介质复合材料的树脂基体 14 但纯的氰酸酯树脂聚合后内链的刚性大 交联度高 使体系的脆性 较大 加之单体制备工艺存在毒性大 转化率低等所带来的价格高 等因素在很大程度上限制了它的广泛应用 近些年来 氰酸酯常常通过与其它树脂共聚来弥补缺点 满足工业 应用的性能要求 3 3结论影响玻璃纤维 聚合物复合材料介电性能的内在因素有树 脂 纤维和界面 其中树脂 纤维各自的介电常数和相对含量决定 了复合材料的宏观介电性能 外界环境中的温度通过影响分子链的极化运动和热运动而影响介电 性能 吸湿则由于水分子的侵入增加了极性分子的浓度 使得复合 材料介电性能恶化 3 疲劳性能的研究 1 试验材料疲劳试验的拉杆材料为E GFRP 采用的玻璃钢纤维型号为9600TEX 环氧树脂为特种环氧树脂 具有良好的耐热 耐老化和电绝缘性能 2 试件设计疲劳试验使用的拉杆试件 编号FLG 是从节点上取下 的拉杆 共计8个 未经过疲劳处理的拉杆试件 编号LG 4个 拉杆 材料材性试件 编号LL 8个 3 实验方案试验采用升降法测定试件条件疲劳极限荷载 其加载 频率为l Hz 额定循环次数为105次 应力循环对称系数为0 1 试验过程中记录各试件施加的荷载大小及试验结果 试件破坏时的 加载次数以及试件加载过程中的最大和最小位移量 4 实验设备本次试验采用MTS810 250疲劳试验机 该试验机共有4个档位 250 150 100 50kN 最大可进行250kN的疲劳试验 试件1第1次加载峰值50kN 循环加载105次 试件2如果试件l破坏 则荷载峰值在试件1荷载峰值的基础上减小25 kN 如果试件1未破坏 则荷载峰值在试件1荷载峰值的基础上增加5 0kN 循环加载105次 试件3如果试件2破坏 则荷载峰值在试件2荷载峰值的基础上减小12 5kN 如果试件2未破坏 则荷载峰值在试件2荷载峰值的基础上增 加12 5kN 循环加载105次 试件4如果试件3破坏 则荷载峰值在试件3荷载峰值的基础上减小12 5kN 如果试件3未破坏 则荷载峰值在试件3荷载峰值的基础上增 加12 5kN 循环加载105次 试件5如果试件4破坏 则荷载峰值在试件4荷载峰值的基础上减小12 5kN 如果试件4未破坏 则荷载峰值在试件4荷载峰值的基础上增 加12 5kN 循环加载105次 试件6 8的加载方法同试件5 疲劳加载情况 5 结论 1 在105次循环荷载作用下 试件疲劳极限应力为246 75MPa 对 应极限荷载为93 75kN 2 试件位移幅值随加载次数的增加而增加 各试件疲劳试验过程中 位移幅值为3 8 4 9mm 3 由于试件连接处强度小于复合材料本身强度 试件疲劳破坏均为 连接处破坏 设计时应重点考虑连接处强度是否满足疲劳要求 4 盐雾环境对其力学性能的影响 4 1盐雾实验盐雾试验参照GJB150 11 86进行 为了较好地模拟海洋大气环境 采用中性盐雾条件 试验溶液为质 量分数5 的分析纯NaC 的水溶液 温度为35 连续喷雾60天 分别取未经老化的试样和老化 8 16 40 60天后的试样 测量其增重率并进行力学试验 4 2力学性能玻纤增强环氧改性酚醛树脂的拉伸应力一应变曲线属 于硬而脆型 即弹性模量大 屈服强度中等 或无屈服点 断裂强 度中等 断裂伸长小 试验结果符合这一特征 拉伸曲线没有屈服点 最大应力发生在断 裂点 断裂时的力为断裂拉伸强度 为了更清楚和更准确 横坐标用时间取代应变值 因为试样伸长率 很小 约为1 而加载速度不变的情况下 夹具的位移与时间成正 比 纵坐标用载荷值取代应力值 因为加载过程中试样截面积变化 很小 可以忽略 考虑到复合材料力学性能数据的分散性 仅以个别拉伸性能指标评 价材料老化或仅以一个平均值来概括变化趋势 有时会得出片面的 错误的结论 盐雾老化8天后 测得的纵向拉伸 横向拉伸 压缩和层间剪切性能 曲线 同一力学性能的5个平行试样曲线重合得很好 特别是拉伸曲 线 几乎完全重合 因而所得的平均值也有较高的可靠性 经盐雾老化 0 8 16 40 60天后同一力学性能试验得到的载荷一时问曲线的比较 随着老化时问的延长 拉伸试验力一时间曲线沿着断裂拉伸强度不 断减少的方向发展 而压缩强度和层间剪切强度也都呈下降趋势 老化8天后力学性能显著下降 老化 8 16 40 60天后的曲线之间差别就不很显著 力学性能的下降比较平缓 可见吸湿的最初阶段对力学性能影响最大 也就是说水分的吸收 是复合材料力学性能下降的主要原因 盐雾老化不同时间后复合材料的纵向拉伸强度 横向拉仲强度 压 缩强度和层间剪切强度值和强度保持率值 可以看出 老化60天后复合材料的纵向 横向拉伸强度分别下降到5 6 和55 压缩强度下降到54 层间剪切强度下降到61 拉伸强度随老化时间增加呈指数下降 层间剪切强度开始下降很快 而稍有上升 压缩强度在下降过程中略有波动 根据文献报道 硬而脆的塑料 其拉伸强度随老化时问的延长而下 降 可直接根据 下降程度评价老化 4 3结论 1 GFRP试样的增重主要由水分的吸收引起 其次还有盐雾在试样表 面的沉积 2 力学性能曲线属于硬而脆型 纵向拉伸强口度最大 经盐雾老化 后 由于水对基体的增塑效果使压缩和剪切强度曲线略显韧性特征 对拉伸曲线的形状影响不大 各平行试样的拉伸强度曲线重合性 最好 3 力学性能随盐雾老化时间的增加而下降 且老化初期下降速度最 快 压缩和层间剪切强度变化不规则 拉伸强度的变化呈指数趋势 4 拉伸强度更适合作为该复合材料盐雾老化的评价指标 5 力学性能随吸湿量的增加而下降 吸湿量达到一定程度后力学性 能随老化时间的变化不明显 5 总结玻璃纤维制品被广泛应用于国民经济的各个领域 其中电子 交通和建筑是最主要的三大应用领域 也代表了世界玻纤产业在 未来几年的发展趋势 与国际相比 我国玻纤产品品种规格少 应用范围窄 但这些情况也从另外一个角度说明 我国的玻纤产业还存在大量市 场空间未被挖掘 尤其是在一些应用领域 许多细分市场甚至根本 未被开发 通过对其各项性能的研究 使之能够更好的服务于国民经济的发展 国防科技的发展等 参考文献 1 洪旭辉 华幼卿 玻璃纤维增强树脂基复合材料的介电特性 J 化工新型材 料 xx 4 16 19 2 赵福祥 魏蔚 刘康 等 纤维复合材料在低温容器内支撑 结构巾的应用口 低温工程 xx 324 26 3 肖生祥 樊丁 环 氧树脂与玻璃纤维复合材料的应用研究EJ 山两建筑 xx 33 1 170 173 4 李龙 纤维增强塑料加工技术动力 J 化工新型 材料 1995 1 37 5 谷和平 蒋英 张竞 等 短切纤维增强环氧树脂力学性能研究口 塑料T 业 xx 35 12 20 22 6 刘智恩 材料科学基础 M 西安西北工业大学出版社 xx3 15 7 吕文中 汪小红 电子材料物理 电子工业出版社 xx 11 8 周祝林 蒋汉生等 J 纤维复合材料 1996 42 2 42 46 9 Rpbert n seibold J咖es J Lica Advances inMaterialsand Processesfor High Prf0咖ance E 10 彭文范 J ki 11 仝毅 周馨我 口 材料导报 19 97 11 3 1 5 12 陈平 蔡金刚 J 纤维复合材料 1994 12 4 13 房红强 梁国正 周文胜等 J 化工新型材料 xx 32 5 20 23 14 B1eay sM Hunlberstone L J posites scienceand Tech noIogy 1999 59 1321 1329 15 Aleksandra Presburger ulnikovic J Joumal ofmaterials sci encemateriaIs inE1ectronics xx 2475 79 16 Jia JH Thomas EB CharlesE BDurability evaluationof glassfiberreinforced polymer concrete bondedinterfaces J jJournal ofComposites for Construction xx 9 4 348 359 17 Brahim B Peng W Tan MT Durability ofglass fiber reinforcedpolymer reinforcingbars inconcrete environment J Journal ofComposites forConstruction xx 6 3 143 153 18 Antonella C Roberto DM Glass fiberreinforced polymerpaltrudedmembersconstitutive modeland stabilityanalysis J Journal ofEngineering Mechanics xx130 8 961 970 19 Shahi A West JS Pandey MD Strengthening ofgulfport230kV woodentransmission structureswith glass fiber reinforced polymerwrap J Journal ofCompositesforConstruction xx 15 3 364 373 20 Richard S Pultruded polescanT power J Reinforced Plastic xx 1 20一24 21 Shefif I Dimos