纤维类型对不饱和聚酯基复合材料模压工艺及性能的影响

纤维类型对不饱和聚酯基复合材料模压工艺及性能的影响

0连续纤维增强复合材料的研究纤维增强聚醚材料具有价格低廉、弹性强、密度低、耐化学侵蚀、良好的绝缘性等特点。因此，它广泛应用于建筑、化工、交通运输、造船、泵送等领域。在玻璃纤维增强不饱和聚酯基复合材料中,玻璃纤维的长度、含量以及取向等参数都会对复合材料的力学性能产生影响,其中纤维长度是决定复合材料性能的最主要因素。通常来讲,连续纤维比短切纤维具有更好的增强效果,因此连续纤维增强复合材料具有比短切纤维复合材料更好的力学性能。然而,在制备连续纤维增强不饱和聚酯基复合材料时往往比较困难。因为连续纤维的流动性较差,加工过程中在模具中的流动性受限,无法很好地深入复杂部件的各个部位,因此成型工艺性差,限制了复合材料性能的提高。为此,作者尝试采用连续纤维和短切纤维混合的方式增强不饱和聚酯树脂,以获得连续纤维增强复合材料优良力学性能的复合材料,同时改善其模压工艺性。1样品的制备和测试方法1.1复合基复合材料试验用原料有不饱和聚酯树脂,牌号191,江苏亚邦涂料股份有限公司生产;连续玻璃纤维,直径约为10.0μm,南京玻璃纤维研究设计院生产;短切玻璃纤维,直径约为10.0μm,长度约为3mm,南京玻璃纤维研究设计院生产。先将糊状不饱和聚酯树脂均匀浸渍连续玻璃纤维以制备玻璃纤维与不饱和聚酯树脂的预混料,其中纤维的质量分数为20%;10min后将预混料放入模具中,在其表面均匀撒上一层短切玻璃纤维,其质量分数为10%;在压力为10MPa和温度为150℃的条件下保持30s,然后脱模获得厚度为10mm的连续纤维与短切纤维混合增强的不饱和聚酯基复合材料(简称连续纤维与短切纤维混合增强复合材料);另制备玻璃纤维质量分数为30%的连续纤维增强不饱和聚酯基复合材料(简称连续纤维增强复合材料)作为对比试样。1.2材料弯曲试验和压缩试验拉伸性能测试在Instron5882型电子万能材料试验机上依照GB1040-1979进行,试样尺寸为110mm×45mm×10mm;弯曲试验和压缩试验在MTS810型材料试验机上分别依照GB/T9341-2000和GB1041-1979进行,其中弯曲试样的尺寸为105mm×10mm×5mm,压缩试样的尺寸为15mm×10mm×20mm,取5个试样的平均值;对拉伸断口进行喷金处理,用FEISIRION200型场发射扫描电子显微镜(SEM)分析复合材料拉伸断口的形貌。2试验结果与讨论2.1流动性和合模连续纤维与短切纤维混合增强复合材料的流动性较好,可顺利合模;而连续纤维增强复合材料因流动性差而无法合模,致使飞边厚度达2mm以上,厚度尺寸超标。2.2弯曲变形量对连续纤维增强复合材料力学性能的影响由表1可知,与连续纤维增强复合材料相比,连续纤维与短切纤维混合增强复合材料的拉伸断裂载荷和拉伸模量分别下降了1.8%和1.4%,但压缩断裂载荷提高了2.9%。从图1可看出,当弯曲变形量达到1mm时,连续纤维增强复合材料承受的弯曲载荷为1.07kN;连续纤维与短切纤维混合增强复合材料承受的弯曲载荷为1.05kN,与前者相比下降了1.9%。2.3基层组织分布由图2可见,连续纤维增强复合材料断口中的纤维分布不均匀,部分区域玻璃纤维比较密集,部分区域纤维分布稀疏,聚集大片的树脂基体,纤维明显呈定向分布。连续纤维与短切纤维混合增强复合材料的断口中纤维分布较为均匀,纤维相互交叉,散乱分布。2.4纤维分布不均匀在纤维增强聚酯基复合材料中,纤维的端部往往容易产生应力集中而成为裂纹源。对于连续纤维增强复合材料,因为纤维长,相应端部数量少,因此其力学性能明显高于短纤维增强复合材料的。而由于连续纤维流动性差,在复合材料模压过程中不仅合模困难,纤维也不能很好地深入到基体的各个部位,从而造成纤维在基体中分布不均匀。此外,模压过程中当预混料向缺料部位流动补实时,连续纤维难于相互间分散形成交叉,而是成束状定向流动,这就造成预混料团间不交叉,而是直接粘接在一起,从而造成粘结界面薄弱,在外力作用下易产生裂纹。这些因素往往会降低连续纤维增强复合材料的力学性能。对于混合纤维增强的复合材料,一方面纤维流动性好,因此复合材料模压工艺性较好,纤维在基体中的分布也比较均匀;另一方面,短纤维间易形成交叉,可有效防止纤维成平行束状,各自为一体,因此能使预混料团间形成良好地粘结。所以,采用一定量的短切纤维与连续纤维制备混合增强复合材料,可有效改善复合材料的模压工艺性能,同时不会造成复合材料力学性能的明显下降。3模压工艺性能(1)与连续纤维增强复合材料相比,连续纤维与短切纤维混合增强的方式可有效改善复合材料的模压工艺性能,其拉伸性