E51環氧樹脂基碳纖維復合材料力學性能研究

段國晨，趙景麗，趙偉超

（西安愛生技術集團公司，西工大無人機所，陜西 西安 710075）

環氧樹脂與碳纖維復合是中小型無人機常采用的結構材料，其復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。將樹脂和固化劑、稀釋劑等按一定配比配置，在一定時間內濕潤碳纖維織物，交替在模具表面鋪貼，經過一定的溫度、時間、壓力固化之后即可得到需要的玻璃鋼產品。此工藝方法不受產品尺寸和形狀限制，成本低，投資少，見效快。

針對不同無人機的結構強度要求，本研究采用E51型的環氧樹脂，選用C-1107和A100 2種碳纖維制備無人機使用的復合材料，研究了該復合材料的力學性能，取得較好的研究成果。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

環氧樹脂，E51，工業級，藍星新材料無錫樹脂廠；固化劑，A-50，工業級，淮安市興淮固化化工研究所；鄰苯二甲酸二丁酯，化學純，西安化學試劑廠；碳纖維布，C-1107，江蘇天鳥高新技術股份有限公司；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AIRTECH公司。

1.2 儀器及設備

微機控制電子萬能試驗機，UTM4304，深圳三思縱橫科技股份有限公司；電子天平，FA2104，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合材料試樣。

1）按照E51環氧樹脂∶固化劑∶稀釋劑=100∶25∶16質量比配成環氧樹脂膠粘劑。

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，在平板模具上進行鋪貼，控制樹脂質量分數為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 性能測試

1）拉伸性能：按照GB/T 3354—2014進行測試；

2）彎曲性能：按照GB/T 3356—2014進行測試；

3）層間剪切性能：按照JC/T 773—2010進行測試。

2 結果與分析

2.1 碳纖維對復合材料拉伸性能的影響

2種不同的碳纖維與E51環氧樹脂按手糊玻璃工藝制得的復合材料的拉伸強度與拉伸模量測試結果如圖1和圖2所示。

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

圖1 復合材料的拉伸強度Fig.1 Tensile strength results of composite materials

2.2 碳纖維對復合材料彎曲性能的影響

2種不同的碳纖維對復合材料彎曲性能的影響如圖3和圖4所示。

圖3 復合材料的彎曲強度Fig.3 Bending strength results of composite materials

圖4 復合材料的彎曲模量Fig.4 Flexural modulus results of composite materials

從圖3和圖4可以看出：加入A100的復合材料的彎曲強度達到586.90 MPa，加入C-1107的復合材料的彎曲強度達到696.48 MPa，差異達到109.85 MPa。加入A100的復合材料的彎曲模量達到40 192.16 MPa，加入C-1107的復合材料的彎曲模量達到38 932.84 MPa，彎曲模量差1 259.32 MPa。飛機結構設計若需要高模量復合材料結構，可以采用帶有A100碳纖維布的復合材料；若需要高的彎曲強度，則可以選用帶有C-1107碳布的復合材料。

2.3 碳纖維對復合材料層間剪切性能的影響

碳纖維對復合材料層間剪切性能的影響見圖5。

圖5 復合材料試板層間的剪切強度Fig.5 Interlaminar shear strength results of composite materials

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

3 結論

通過實驗可以得知A100及C-1107 2種碳纖維布增強E51環氧樹脂都適用復合材料手糊玻璃鋼工藝。通過實驗對比，C-1107碳纖維布對復合材料拉伸性能的增強效果明顯，平均拉伸強度達到599.52 MPa，平均拉伸模量達到66 728.89 MPa。而A100碳纖維布增強的環氧樹脂層間剪切強度稍高，平均層間剪切強度達到45.96 MPa。設計人員可以根據不同的結構強度需求，采用不同的碳纖維布，達到輕量化的設計要求。