T700碳/EW 100A玻璃纖維預浸料制備及其力學性能研究

熊玉成 巴德瑪 李長青 崔海超

摘要：分別使用T700碳纖維、EW100A玻璃纖維和環氧樹脂系復合制成預浸料，按照特定鋪層固化成復合材料層合板，對其拉伸、壓縮和層間剪切性能進行測試，并觀察了斷口的微觀形貌，優選性能較好的作為復合材料挖補用預浸料，結果表明，T700碳纖維增強的環氧樹脂復合材料力學性能較好，平均拉伸強度和模量分別為1185MPa和65.2GPa，平均壓縮強度和壓縮模量分別為580MPa和58.6GPa。EW100A玻璃碳纖維增強環氧樹脂復合材料層間剪切性能較好，平均層間剪切強度為66.4MPa，1700碳纖維增強復合材料的平均剪切強度為65.8MPa，通過微觀形貌觀察分析，可以得出T700碳纖維的力學性能優于EW100A玻璃纖維，二者與樹脂的結合能力相差不大。

關鍵詞：碳纖維;玻璃纖維;環氧樹脂;預浸料;力學性能

中圖分類號：TQ050.4⁺3文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）05-0052-05

先進樹脂基復合材料在航天器、飛機、艦船、高速列車、汽車等領域的應用近些年來迅速增加，并部分取代了鋁合金、鋼鐵，成為裝備結構材料中發展最為迅速的先進材料之一。由于復合材料結構特殊，在制造和使用過程中極易產生各種不同程度上的損傷，其結構損傷修理問題嚴重阻礙了進一步的發展應用。

復合材料的膠接挖補修理工藝因為能夠較好的恢復構件的氣動外形并產生較小的的修補應力，是當前復合材料結構修理中普遍采用的一種永久性修理方法。根據修補使用的材料不同，可以將挖補分為預浸料修理，預固化修理和濕鋪修理。當使用預浸料對復合材料進行修理時，其本身力學性能將直接影響修補效果的好壞。預浸料的性能由樹脂基體和增強纖維的種類決定。

本文分別采用兩種不同纖維的織物制成兩種預浸料并研究了對應層壓板的力學性能，為下一步的復合材料膠接挖補修理優選出力學性能較好的預浸料。

1實驗部分

1.1實驗材料

LTC80環氧樹脂體系，由中航復合材料有限責任公司提供;國產T700碳纖維織物，康德復合材料有限責任公司;國產EWl00A玻璃纖維織物，中材科技股份有限公司。

1.2實驗設備

DSC 204F1示差掃描量熱分析儀，德國NETZSCH生產;1200mm熱熔預浸機，國產;INSTRON 8801/IN-STRON 5966微控電子萬能試驗機，英斯特朗公司生產;Quan-ta200型掃描電子顯微鏡，FEI公司生產。

1.3實驗過程

1.3.1預浸料制備

預浸料是制造復合材料的中間材料，通常用樹脂在一定的條件下浸漬連續單向纖維或者織物，制成樹脂基體與增強體的組合物。預浸料可以使用溶液法和熱熔法制備。溶液法為傳統的預浸料制備方法，所用的樹脂為溶液狀態，是經過采用溶劑進行溶解調配后形成，制備的預浸料不可避免的含有一定量的揮發，本實驗不予采用;熱熔法是一種更為先進的預浸料制備方法，不需要任何溶劑。LTC80樹脂在升溫速率為5℃/min的條件下的粘度-溫度曲線如圖1所示，發現樹脂低粘度的溫度范圍為70～115℃，即該樹脂體系在115℃以下得潛伏性較好，具有較低的粘度，在一定的壓力下能夠較好的浸漬纖維制備預浸料。

1.3.2復合材料力學試驗試樣制備

使用制備好的預浸料按照[（0/90）]13S的的鋪設方法，采用熱壓罐法制備力學性能試驗使用的復合材料層合板。固化工藝為70℃保溫30分鐘，120℃保溫2小時，得到兩種不同的復合材料層合板。

1.3.3復合材料力學性能檢測

根據ASTM D 3039/D3039M-14聚合物基復合材料拉伸性能標準實驗方法。

ASTM D 6641/D 6641M-16使用組合加載壓縮（CLC）試驗夾具測量聚合物基復合材料層壓板壓縮性能的試驗方法。

ASTM D 2344/D 2344M-16聚合物基復合材料及其層壓板短梁強度標準試驗方法。

1.3.4SEM測試

采用Quan-ta200型掃描電子顯微鏡掃描電鏡觀察各種材料的表面形貌和斷口形貌。取部分復合材料斷裂樣品，用導電膠將其固定在樣品臺上觀察其斷口形貌。

2結果與討論

2.1復合材料拉伸性能研究

從圖2可以看出T700碳纖維織物增強復合材料拉伸強度和拉伸模量相對EWl00A玻璃纖維復合材料高出很多，平均拉伸強度為1185MPa，平均拉伸模量為65.2GPa;而玻璃纖維織物增強復合材料平均拉伸強度只有475MPa，平均拉伸模量也只有23.4GPa。

圖3是兩種不同復合材料不同倍數下的拉伸斷口的SEM圖，從圖3（a），（b），（d），（e）可以看出EWl00A玻璃纖維復合材料發生拉伸破壞時纖維發生大面積斷裂，斷口處纖維損壞嚴重，斷口起伏較大，纖維與樹脂嚴重脫離，而碳纖維復合材料發生拉伸破壞時斷口處纖維較為完整，主要是樹脂基體的破壞，且樹脂基體與碳纖維未發生較為嚴重的脫離現象，這說明T700碳纖維的力學性能>EWl00A玻璃纖維的力學性能;這就不難解釋了700碳纖維復合材料的拉伸性能遠遠大于玻璃纖維復合材料的力學性能。

2.2復合材料壓縮性能研究

從圖4可以看出T700碳纖維織物增強復合材料壓縮強度和壓縮模量明顯優于玻璃纖維織物增強復合材料，平均壓縮強度達到了580MPa，平均壓縮模量為58.6GPa;而玻璃纖維增強復合材料平均壓縮強度只有384MPa，平均壓縮模量也只有25.1GPa。

圖5是兩種復合材料的壓縮斷裂后的SEM圖，在壓應力的作用下玻璃纖維發生“折斷”，纖維也與樹脂基體嚴重脫粘，發生粉碎性破壞;而T700碳纖維復合材料的斷口較為平整，纖維與樹脂并未受到嚴重破壞，這也說明了玻璃纖維的強度遠遠弱于T700碳纖維的強度，導致兩種復合材料的壓縮性能的迥異。

2.3復合材料層間剪切強度研究

短梁法層間剪切實驗是將試樣放置于兩個支撐圓棒上，上面在壓一個圓棒，試樣在載荷的作用下發生彎曲變形，最后的破壞主要是由層間結合失效所引起的層間剪切破壞，強度主要受限制于纖維與基體的界面結合強度以及樹脂基體自身的力學性能。

由樹脂基從圖6可以看出兩種纖維增強復合材料的層間剪切性能相差無幾，平均都在65MPa左右，這是因為作為復合材料中的主要承載相，纖維的性能決定著復合材料的拉伸壓縮等力學性能，而層間力學性能則主要受限制于纖維與基體的界面結合強度以及樹脂基體自身的力學性能。圖4是兩種材料的層間剪斷口SEM圖，從圖7（a），（b）可以看出兩種材料在外力的作用下都發生了分層現象，從圖7（c），（d）可以發現兩種纖維與樹脂的結合能力也相差不大，均與樹脂粘連良好，所以而且的層間剪切性能相差不大。

3結論

通過實驗得知T700碳纖維對樹脂基復合材料的力學性能增強效果更加明顯，其中拉伸強度和拉伸模量平均達到1185MPa和65.2GPa;壓縮強度和壓縮模量平均達到580MPa和58.6GPa;而兩種復合材料的層間剪切性能相差不大都在65MPa左右。通過微觀形貌觀察分析，可以得出T700碳纖維的力學性能優于EWl00A玻璃纖維，二者與樹脂的結合能力相差不大。綜上所述，在選擇挖補修理用預浸料時，優先選用T700碳纖維增強環氧樹脂基預浸料。