玻纖增強環氧樹脂復合材料拉伸性能的研究

付成龍，向 陽

(成都航空職業技術學院，四川 成都 610000)

玻璃纖維增強復合材料(GFRP)由于具備較高的比強度和比模量、耐腐蝕、破壞安全性好等優點被廣泛應用于生活和工業領域，如玻璃鋼游艇、大跨度橋梁、風電葉片、垃圾桶等[1-8]。其鋪層參數及在化學溶劑侵蝕后力學性能的研究尤為重要，本文通過不同的鋪層角度和溶劑，比較了鋪層角度、浸泡溶劑對GFRP試樣力學性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

濃度30%的H2O2溶液，天津福晨化學試劑廠；NaOH(顆粒狀)，成都市科龍化工試劑廠；環氧樹脂E-4675，昆山祥豐新復合材料有限公司；玻璃纖維，市售。

1.2 試驗設備

JE2002型電子天平；JP-90H型真空泵；電熱恒溫鼓風干燥箱；HY-10080型微機控制電子萬能試驗機。

1.3 試樣制備

為了研究織物鋪層角度對于玻璃纖維復合材料力學性能的影響，分別設計四種不同的鋪層角度進行研究。此外，為了研究化學試劑對于玻璃纖維復合材料力學性能的影響，分別采用濃度為2%的雙氧水和NaOH溶液(浸泡2 h)進行處理；試驗參數如表1所示。

表1 試驗參數設計表

注：對于空白試樣(E)、模擬氧化(F)、堿環境(G)試驗，采用全90°鋪層；S為對稱鋪層。

試樣制備過程：采用手糊成型工藝，由50%環氧樹脂與50%玻璃纖維制得，按照試驗參數(見表1)制備本次試驗所需的試樣，在真空泵和烘箱環境下固化成型。

1.4 測試標準

根據標準GB/T 1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》測定。

2 結果和分析

2.1 不同鋪層角度試樣試驗結果分析

不同鋪層角度試樣的拉伸強度見表2。從表2可以看出，在不同鋪層角度的拉伸強度數據中，試樣B的拉伸強度最好，試樣D次之，而試樣A的拉伸強度最低。以試樣C為基準進行比較，試樣A的拉伸強度比試樣C降低了1.31%，而試樣B比試樣C提高了10.12%。

表2 不同鋪層角度試樣拉伸強度

由此可以看出，通過比較試樣C和試樣A在鋪第二、三層時，±45°的鋪層順序剛好相反，但試樣C的拉伸強度只比試樣A的拉伸強度提高了1.31%，因此在鋪層順序中，連續鋪層±45°時，45°與-45°的先后鋪層順序對試樣拉伸強度的影響可以忽略不計。試樣B表面鋪層為45°，該鋪層有良好的損傷容限極限，能降低應力集中；此外有研究表明±45°鋪層可以增加材料的剪切強度和局部屈曲強度，還可避免拉-剪和拉-彎耦合引起固化后的翹曲等變形[9]，故其測試所得結果最高。通過試樣D與試樣C的鋪層順序對比，兩種鋪層方式只是在表面第一層鋪層不同，試樣C鋪層為0°，試樣D鋪層為90°，而試樣D的拉伸強度只比試樣C的拉伸強度高2.61%，對比分析得，第一層的鋪層0°或90°對試樣的拉伸強度影響變化不大。

2.2 H2O2溶液 NaOH溶液處理試樣試驗結果分析

H2O2溶液與NaOH溶液處理的試驗結果見表3。從表3分析，未經處理過的玻璃纖維復合材料試樣的拉伸強度最好，而當試樣分別用H2O2溶液、NaOH溶液處理后，試樣的拉伸強度都比未處理試樣低，分別降低50.47%和26.65%。這是由于復合材料是由玻纖、環氧樹脂經手糊成型工藝制備而成，其構件內部的空隙率比采用熱壓罐制備的試樣要高得多，在老化環境下，其力學性能衰減較快。因此，將試樣放于2%H2O2溶液、NaOH溶液中浸泡，溶液容易對GFRP試樣的界面發生了破壞，降低其界面強度。

表3 H2O2溶液與NaOH溶液處理試驗結果

同時，有研究表明，將玻璃纖維試樣放于濃度20%的NaOH溶液中，超過60 min后，其彎曲強度降低了46%。NaOH溶液會造成玻璃纖維表面和整體結構發生破壞且纖維體內部會出現貫穿性損傷，其破壞程度會隨著侵蝕時間的增加而越發嚴重[10]。因此，在氫氧化鈉溶液環境中使用GFRP材料時應該注意防護。

從表3還可以看出，NaOH溶液處理后的拉伸強度比H2O2溶液處理后的拉伸強度高48.1%。試樣浸泡相同的時間時，H2O2溶液對于試樣的腐蝕程度大于NaOH溶液，這是因為經H2O2處理后，環氧樹脂基質粗糙度增加，部分樹脂基質溶解，纖維暴露增多，有些在纖維之間形成了較深的空隙[11]，使得樹脂基體失去了對纖維的保護作用和傳遞應力的作用，因此試樣在載荷作用下其拉伸強度下降明顯。

3 結語

通過試驗發現，玻纖增強環氧樹脂復合材料可以通過設計和優化鋪層參數獲得適宜的拉伸強度以達到設計需求。此外，本次試驗中連續鋪層±45°時，45°與-45°的先后鋪層順序對試樣拉伸強度的影響可以忽略不計；經過堿(NaOH)處理和氧化劑(H2O2)處理后，GFRP試樣的性能分別降低26.65%和50.47%，表明氧化劑處理比堿處理對玻纖增強環氧樹脂復合材料的影響較大。