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：1202 h+1604 h。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 4 K、76 K 的力学性能作进一步 检测并与室温(298 K)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 76 K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 1 GPa、 E 玻纤环氧复合材料的最大拉伸强度为 14 GPa。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 76 K 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 21 GPa、E 玻纤环氧复合材料的最大拉伸强度也达到 14 GPa。 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 40250、 510GHz 内稳定在 21 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 EGFRP，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 01。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 MTS810250 疲劳试验机。 该试验机共有 4 个档位： 250、 150、 100、50 kN，最大可进行 250 kN 的疲劳试验。 试件 1：第 1 次加载峰值 50 kN，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 50 kN；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 125 kN；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 125 kN； 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 125 kN；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 125 kN； 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 125 kN；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 125 kN； 循环加载 105 次。试件 68 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 24675 MPa，对应极限荷 载为 9375 kN。 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 384.9mm。 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 GJB 1501186 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 56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。 43 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，2005(4)：1619 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，2005，3：24-26 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， 2007，33(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，2007，35(12)：2022 6刘智恩材料科学基础M西安：西北工业大学出版社，2007：315 7吕文中，汪小红，电子材料物理，电子工业出版社，200211 8周祝林，蒋汉生等J纤维复合材料，1996，42(2)：4246 9 Rpbert、n seibold，J 咖 es JLica“，Advances in Materialsand Processes for High-Prf0 咖 ance E 10彭文范Jwwwcnkinet 11仝毅，周馨我口材料导报，1997，11(3)：15 12陈平，蔡金刚J纤维复合材料，1994124 13房红强，梁国正，周文胜等J化工新型材料，2004，32(5)：2023 14 B1eay s M，Hunlberstone LJcomposites science and TechnoIogy， 1999(59)：13211329 15 Aleksandra Presburger-ulnikovicJJoumal of materials science： materiaIs in E1ectronics，2003，24：7579 16JiaJH ， ThomasEB ， CharlesEBDurabilityevaluationof glassfiberreinforcedpolymerconcrete bonded interfacesJ j Journal ofComposites for Construction，2005，9(4)：348359 17Brahim B，Peng W，Tan M TDurability of glass fiberreinforcedpolymer reinforcingbarsinconcreteenvironmentJ JournalofCompositesfor Construction2002，6(3)：143153 18Antonella C ， Roberto D M Glass fiber reinforced polymer paltruded members ： constitutive model and stability analysisJ Journal of Engineering Mechanics，2004 130(8)：961-970 19Shahi A，West J S，Pandey M DStrengthening of gulfport 230 kV wooden transmission structures with glass-fiber-reinforced polymer wrapJJournal of Composites for Construction，201 1，15(3)： 364373 20Richard SPultruded poles canT powerJReinforced Plastic，2003 (1