E51環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能研究

段國(guó)晨，趙景麗，趙偉超

（西安愛(ài)生技術(shù)集團(tuán)公司，西工大無(wú)人機(jī)所，陜西 西安 710075）

環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維復(fù)合是中小型無(wú)人機(jī)常采用的結(jié)構(gòu)材料，其復(fù)合材料的制造常用的是手糊玻璃鋼成型工藝，又稱為接觸成型工藝。將樹(shù)脂和固化劑、稀釋劑等按一定配比配置，在一定時(shí)間內(nèi)濕潤(rùn)碳纖維織物，交替在模具表面鋪貼，經(jīng)過(guò)一定的溫度、時(shí)間、壓力固化之后即可得到需要的玻璃鋼產(chǎn)品。此工藝方法不受產(chǎn)品尺寸和形狀限制，成本低，投資少，見(jiàn)效快。

針對(duì)不同無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，本研究采用E51型的環(huán)氧樹(shù)脂，選用C-1107和A100 2種碳纖維制備無(wú)人機(jī)使用的復(fù)合材料，研究了該復(fù)合材料的力學(xué)性能，取得較好的研究成果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

環(huán)氧樹(shù)脂，E51，工業(yè)級(jí)，藍(lán)星新材料無(wú)錫樹(shù)脂廠；固化劑，A-50，工業(yè)級(jí)，淮安市興淮固化化工研究所；鄰苯二甲酸二丁酯，化學(xué)純，西安化學(xué)試劑廠；碳纖維布，C-1107，江蘇天鳥(niǎo)高新技術(shù)股份有限公司；碳纖維布，A100，宜興市宜泰碳纖維織造有限公司；脫模劑，PASTE WIZ，美國(guó)AIRTECH公司。

1.2 儀器及設(shè)備

微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，UTM4304，深圳三思縱橫科技股份有限公司；電子天平，F(xiàn)A2104，上海精密儀器有限公司。

1.3 樣品制備

按照手糊玻璃鋼工藝要求制備復(fù)合材料試樣。

1）按照E51環(huán)氧樹(shù)脂∶固化劑∶稀釋劑=100∶25∶16質(zhì)量比配成環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑。

2）用丙酮將平板模具清理干凈，涂覆2遍脫模劑PASTE WIZ，間隔15 min，干燥30 min之后待用；

3）剪 裁 16層 C-1107碳 纖 維 布 及 16層A100碳纖維布；

4）逐層浸膠，在平板模具上進(jìn)行鋪貼，控制樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%；

5）采用密封袋抽真空，排除層間氣泡；

6）室溫固化24 h，脫模。

1.4 性能測(cè)試

1）拉伸性能：按照GB/T 3354—2014進(jìn)行測(cè)試；

2）彎曲性能：按照GB/T 3356—2014進(jìn)行測(cè)試；

3）層間剪切性能：按照J(rèn)C/T 773—2010進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳纖維對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

2種不同的碳纖維與E51環(huán)氧樹(shù)脂按手糊玻璃工藝制得的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與拉伸模量測(cè)試結(jié)果如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，C-1107增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度和拉伸模量都較高，拉伸強(qiáng)度達(dá)到了599.52 Mpa，平均拉伸模量66728.89 MPa；A100增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂平均拉伸強(qiáng)度達(dá)到489.74MPa，平均拉伸模量達(dá)到52 754.52 MPa。采用同樣的環(huán)氧樹(shù)脂，差異高達(dá)109.8 Mpa，其主要原因是碳纖維的差異造成了復(fù)合材料拉伸性能的差異。

圖1 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度Fig.1 Tensile strength results of composite materials

2.2 碳纖維對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響

2種不同的碳纖維對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響如圖3和圖4所示。

圖3 復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度Fig.3 Bending strength results of composite materials

圖4 復(fù)合材料的彎曲模量Fig.4 Flexural modulus results of composite materials

從圖3和圖4可以看出：加入A100的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到586.90 MPa，加入C-1107的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到696.48 MPa，差異達(dá)到109.85 MPa。加入A100的復(fù)合材料的彎曲模量達(dá)到40 192.16 MPa，加入C-1107的復(fù)合材料的彎曲模量達(dá)到38 932.84 MPa，彎曲模量差1 259.32 MPa。飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若需要高模量復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，可以采用帶有A100碳纖維布的復(fù)合材料；若需要高的彎曲強(qiáng)度，則可以選用帶有C-1107碳布的復(fù)合材料。

2.3 碳纖維對(duì)復(fù)合材料層間剪切性能的影響

碳纖維對(duì)復(fù)合材料層間剪切性能的影響見(jiàn)圖5。

圖5 復(fù)合材料試板層間的剪切強(qiáng)度Fig.5 Interlaminar shear strength results of composite materials

從圖5可以看出，帶有A100碳纖維布的復(fù)合材料試板層間剪切強(qiáng)度為45.96 MPa，帶有C-1107碳纖維復(fù)合材料試板層間剪切強(qiáng)度為39.69 MPa，差異并不是很大，這是因?yàn)閺?fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度是由樹(shù)脂起主要作用，2種試件采用同樣的環(huán)氧樹(shù)脂，所以差異不大，但是A100碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂層間剪切性能稍高。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得知A100及C-1107 2種碳纖維布增強(qiáng)E51環(huán)氧樹(shù)脂都適用復(fù)合材料手糊玻璃鋼工藝。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，C-1107碳纖維布對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的增強(qiáng)效果明顯，平均拉伸強(qiáng)度達(dá)到599.52 MPa，平均拉伸模量達(dá)到66 728.89 MPa。而A100碳纖維布增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂層間剪切強(qiáng)度稍高，平均層間剪切強(qiáng)度達(dá)到45.96 MPa。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求，采用不同的碳纖維布，達(dá)到輕量化的設(shè)計(jì)要求。