固化溫度對環氧樹脂碳帶復合材料力學性能的影響

鄭超 吳琨 李毅

摘 ? 要：采用自動鋪放和熱壓罐成型法制備環氧樹脂碳纖維復合材料層壓板，研究不同環境狀態和不同固化溫度對復合材料層壓板拉伸性能的影響。結果表明;70°C濕態+濕態（85%RH）環境下，環氧樹脂碳纖維復合材料的力學性能較23℃干態條件下降25.28%;以190℃作為最高固化后溫度，環氧樹脂碳纖維復合材料力學性能最高，拉伸強度和拉伸模量分別為2715.40MPa和192.20GPa。

關鍵詞：環氧樹脂 ?復合材料 ?固化溫度 ?力學性能

中圖分類號：TB33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0091-03

環氧樹脂具有良好的耐化學藥品性和優良的電絕緣性、耐疲勞性能好、高強度和優異的工藝性能，被廣泛用作于復合材料的的基體材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料具有比強度高、比模量大、耐疲勞性能好、耐化學腐蝕性能好，可設計性高，被廣泛應用于風力發電、交通運輸，尤其在航空航天等需要減重的領域應用取得較好的成效[1-3]。

熱固化性碳纖維增強環氧樹脂復合材料成型，受樹脂和纖維增強材料的熱膨脹系數不同導致復合材料固化成型后不可避免地產生殘余應力，通常采用升高溫度的方式來降低樹脂基復合材料的殘余應力，目前航空用環氧樹脂復合材料有高溫165℃～180℃和中溫125℃～135℃兩種固化溫度[3-4]。

本文以M21/34%/UD194/IMA-12K碳帶作為測試材料，分別以180℃、190℃和200℃為固化溫度進行固化120min，測試不同環境狀態：-55°C干態;23°C干態;70°C濕態+濕態（85%RH）0°和90°拉伸性能，以分析不同固化溫度對碳纖維增強環氧樹脂復合材料力學性能的影響。

1 ?實驗材料與方法

1.1 原材料

碳帶供應商為HEXCEL ，牌號為M21/34%/UD194/IMA-12K，基體為環氧樹脂。

1.2 測試設備及條件

差示掃描熱量計為DSC為S Ⅱ-DSC 7020，以20℃/min 的速率進行室溫到150℃的升降溫循環2次，消除試件材料以前的熱歷史，按照2℃/min、3℃/min、5℃/min和10℃/min速率升溫，加熱到300℃。

1.3 層壓板制備

復合材料成型采用自動鋪帶機型號為TORRESLAYUP，生產廠家為M.Torres。采用熱壓罐成型復合材料層壓板，固化壓力0.7MPa，升溫速率為0.15℃/min ～3℃/min，固化后降至60℃以下卸壓出罐，得到復合材料層壓板。

1.4 力學性能測試設備及條件

力學性能在MTS 370.25疲勞試驗機上測試，復合材料的拉伸試樣尺寸為250mm×15mm，測試標準為ASTM D3039。復合材料的壓縮尺寸為140mm×12mm，測試標準為ASTM D6641。復合材料的短梁剪切尺寸為18mm×6mm，測試標準為ASTM D2344。每組樣品準備6件。

2 ?結果和討論

2.1 樹脂體系DSC測試分析

DSC分析可以了解樹脂的固化特性，對樹脂進行DSC分析可以得到基本的固化反應溫度。表1為不同升溫速率的峰始溫度Ti，峰頂溫度Tp和峰終溫度Tf，由表1可以看出峰始溫度Ti，峰頂溫度Tp和峰終溫度Tf都向高溫方向移動，這是由于隨升溫速率的提高，單位時間內產生的熱量越大，熱慣性也越大，產生的溫度差也就越大，固化反應峰也就向高溫移動。

將表1中不同升溫速率下的峰始溫度Ti，峰頂溫度Tp和峰終溫度Tf作圖，并進行線性擬合，如圖1所示，并外推至升溫速率為0的坐標軸上的各點數據，可分別得到Ti0=143.44℃;峰頂溫度Tp0=213.42℃;峰終溫度Tf0=257.50℃，可以這三個溫度作為近似的凝膠溫度、固化反應溫度和后處理溫度。根據時溫等效原理，高溫短時間固化和低溫長時間固化是等效的，因此工廠生產一般選擇低溫長時間固化工藝來為控制產品質量。

2.2 不同環境狀態對復合材料力學性能的影響

表2為不同環境狀態下180℃固化復合材料的0°拉伸性能，由表2可以看出，在-55℃干態條件下，拉伸強度、拉伸模量以及泊松比較23℃干態下的性能參數未出現差異，說明降低溫度不影響復合材料的力學性能;在70℃濕態+濕態（85%RH）條件下，即試樣在吸水飽和的情況下，其拉伸強度較23℃干態條件下降約25.28%，拉伸模量與泊松比均有下降。表3為不同環境狀態180℃固化復合材料的90°拉伸性能，由表3可看出，70℃濕態+濕態（85%RH）較23℃干態條件的拉伸強度和拉伸模量均出現下降，說明材料受高溫高濕對環氧樹脂基體的力學性能的影響較大。

2.3 固化溫度對復合材料力學性能的影響

圖2為23℃干態不同固化溫度下復合材料的0°拉伸性能，由圖可以看出，當固化成型溫度為180℃時，復合材料的拉伸強度為2494.69MPa，拉伸模量為190.10 GPa，當溫度升高到190℃時，復合材料的拉伸強度為2715.40 MPa，拉伸模量變化不大，當成型溫度在200℃時，復合材料的拉伸強度相比190℃發生了明顯的下降，下降了6.88%。表4為23℃干態不同固化溫度下復合材料的90°拉伸性能，可以看出拉伸強度和拉伸模量隨溫度變化很小，說明三種固化溫度對環氧樹脂基體的力學性能影響不大。

3 ?結語

（1）采用差示掃描量熱法測定環氧樹脂體系的DSC曲線，并通過外推法得到該樹脂的3個動力學參數：凝膠溫度143.44℃、固化反應溫度213.42℃和后處理溫度257.50℃。

（2）低溫不影響環氧樹脂碳纖維復合材料的力學性能，高溫高濕環境下力學性能下降較明顯。

（3）分別以180℃、190℃、200℃作為最高固化溫度時，190℃固化后環氧樹脂碳纖維復合材料的拉伸強度最高。

參考文獻

[1] 代少俊.高性能纖維復合材料[M].上海：華東理工大學出版社，2013.

[2] 烏云其其格一種自粘性預浸料用高溫固化環氧樹脂研究[T]. 高科技纖維與應用，2017，42（1）：65.

[3] 武永琴.航空復合材料技術發展的回顧及展望[J].科技創新與應用，2015（17）：59-61.

[4] 王志遠.固化溫度和后處理溫度對EP/碳布復合材料彎曲性能的影響[J].工程塑料應用，2011，39（4）：17-18.