环氧树脂_玻璃纤维复合材料加速湿热老化机理研究.pdf
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1、第2 期2023年6 月纤维复合材料FIBERCOMPOSITESNo.258Jun.2023环氧树脂/玻璃纤维复合材料加速湿热老化机理研究魏程,王威力,李刚,田(哈尔滨玻璃钢研究院有限公司,哈尔滨150 0 2 8)日晶,王梓桥,魏喜龙,侯传礼摘要为研究环氧/玻璃纤维复合材料加速湿热老化机理,采用恒定温度下改变湿度和恒定湿度下改变温度两种方法对环氧/玻璃纤维复合材料进行湿热加速老化试验,并对复合材料的动力学和力学性能进行测试。根据力学性能、动态热机械性能(DMA)、扫描电镜(SEM)和红外(IR)测试结果分析湿热对环氧/玻璃纤维复合材料树脂基体、纤维和界面的老化作用机理,由试验结果可知,随着
2、老化试验温度和湿度的增加,复合材料力学强度降低越为明显,在温度和湿度两个参数中,湿度对复合材料的强度影响较大,且复合材料湿热老化后性能衰退主要是由界面破坏引起的。关键词环氧树脂;玻璃纤维;复合材料;湿热老化;机理Study on the Mechanism of Accelerated HydrothermalAging of Epoxy/Glass Fiber CompositesWEI Cheng,WANG Weili,LI Gang,TIAN Jing,WAGN Ziqiao,WEI Xilong,Hou Chuanli(Harbin FRP Institute Co.,Lt d.,H
3、a r b in 150 0 2 8)ABSTRACT Two methods of changing humidity at constant temperature and changing temperature at constant humiditywere used to carry out hygrothermal accelerated aging test on epoxy/glass fiber composite,and the dynamic and mechanicalproperties of the composite were tested.According
4、to the results of mechanical properties,dynamic thermo-mechanicalproperties(DMA),scanning electron microscopy(SEM)and infrared(IR),the aging mechanism of damp heat on theresin matrix,fiber and interface of epoxy/glass fiber composite was analyzed.From the test results,it can be seen that withthe inc
5、rease of aging test temperature and humidity,the mechanical strength of the composite decreased more significantly.In the two parameters of temperature and humidity,Humidity has a great influence on the strength of composite materials.Moreover,the degradation of the properties of the composites afte
6、r hydrothermal aging is mainly caused by the interface dam-age.KEYWORDS epoxy resin;glass fiber;composites;hydrothermal aging;mechanism度的影响会产生不同程度的吸湿行为,而水分子与1引言复合材料的作用主要包括四个方面:水分子在树脂玻璃纤维复合材料在使用过程中,受温度和湿基体中的扩散、水向增强纤维微裂纹的吸附和渗通讯作者:魏程,女,硕士,工程师。研究方向为高性能树脂基复合材料。E-mail:w e i c h e n g 2 0 12 16 3.c o m2期透、
7、水分子沿纤维基体界面的毛细作用以及水在孔隙、微裂纹和界面脱粘等缺陷中的聚集。水分子与复合材料各组分相互作用,导致复合材料发生老化,性能衰退,贮存寿命减少1-3。国内玻璃纤维湿热老化性能、老化机理及老化模型的研究已经取得了一些进展4-9 ,但不够全面,没形成广泛认可的结论,仍然需要进一步研究完善,同时随着原材料性能的不断提高,复合材料制品贮存环境越来越苟刻,开展玻璃纤维复合材料湿热老化机理研究仍然意义重大。本文通过人工加速湿热老化方法模拟产品在使用及贮存过程中可能遇到的湿热环境,研究了恒定温度下不同湿度和恒定湿度下不同温度环境,环氧/玻璃纤维增强复合材料的力学性能变化情况,探索湿度和温度对复合材
8、料基体、界面和纤维的老化作用机理,以及湿热老化动力学行为,为环氧/玻璃纤维增强复合材料在湿热老化机理研究、老化模型修正、贮存寿命预测和工程应用等方面提供理论与技术支持。2湿热加速老化试验2.1试验材料与仪器环氧树脂(天津晶东化学复合材料有限公司),胺类固化剂,稀释剂(南通星辰合成材料有限公司),促进剂,高强玻璃纤维(南京玻璃纤维研究设计院有限公司)等。湿热老化箱(ZHUODI),缠绕机(INSTRON5582),万能材料试验机(INSTRON),动态热机械分析仪(DMA8000),扫描电镜(PhenomProX),红外光谱分析仪(FT-IR/NIR SpectrometerFron-tier)
9、等。2.2订试样制备与测试方法湿法缠绕成型复合材料单向板,并按GB/T3354-2014定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法、GB/T3856-2005单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法、GB/T3356-2014定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验方法和JC/T773-2010纤维增强塑料短梁法测定层间剪切强度进行拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和剪切强度测试。2.3湿热加速老化条件温度和湿度是复合材料老化的两个主要变量,环氧树脂/玻璃纤维复合材料加速湿热老化机理研究条件,如表1所示。湿热加速老化在湿热老化试验箱中进行,取样时间分别为0 h、48 0 h、9 6 0 h、1440
10、h、19 2 0 h 和2400h。表1湿热加速老化条件序号温度/1402603804805803试验结果与讨论3.1湿热老化机理研究3.1.1又对树脂基体的老化作用机理采用红外光谱法(IR)对加速湿热老化前及加速湿热老化2 40 0 h后的复合材料试件进行分析,得到的红外谱图如图1所示。120老化2 40 0 h10080%率60402004000350030002500200015001000图1复合材料老化前后红外光谱图由图1可知,在湿热加速老化前后,各主要特征峰位置没有发生移动,说明树脂基体的官能团没有发生变化,没有发生分子链断裂,复合材料树脂基体老化的主要原因是树脂基体吸湿吸热后,微
11、观物理状态发生变化导致的。由红外测试结果可知,复合材料的分子结构无明显变化,采用扫描电镜(SEM)法,对湿热老化前后复合材料树脂基体的微形貌进行分析,结果如图2 和图3所示。59对复合材料的力学性能变化有很大影响。在高温、高湿环境里,复合材料的老化程度变大10 1,研究表明,环境的温度和湿度越高,材料性能退减的速度越快,越容易获得湿热老化的反应趋势,以树脂基体的耐热性为依据设计此次试验的湿热加速老化老化前一老化2 40 0 h一老化前波数/cm-1湿度/%909090806560纤维复合材料试验结果如图4和图5所示。玻纤复合材料拉伸强度180015001200(ed)9006003000202
12、3年*40/9 0%X60/9 0%X80/9 0%80/8 0%80/6 5%2040(天)6080100图2 老化前复合材料表面形貌图3老化后复合材料表面形貌由图2 和图3可知,老化后的复合材料表面,树脂大面积破碎,纤维从树脂的包覆中脱离开,进一步证明湿热对复合材料树脂基体老化的作用机理为:首先,树脂基体吸收水分,使得高分子链之间的距离增大,刚性基团活性增加,引起的溶胀反应使得树脂基体塑化,降低了树脂基体传递载荷的能力;其次,温度升高使树脂基体链段松弛,分子间作用力减弱,分子空隙增多变大,加剧了水向基体的扩散,增加了材料的吸湿率与饱和吸湿量;最后,水向基体的扩散加剧,使得基体内部由于渗透压
13、而产生断裂纹、微裂缝或其它形态变化,裂纹的扩散进一步增大吸湿量,甚至使得基体破裂,导致基体强度降低,基体强度降低越多,复合材料受湿热老化破坏越严重。3.1.2对纤维的老化作用机理研究表明,单向复合材料的轴向拉伸性能主要受增强纤维控制1,所以,研究湿热对纤维的老化作用,则需要对湿热老化时间分别为0 h、48 0 h、960h、1440 h、19 2 0 h 和2 40 0 h的试件6 0 烘干2 h后,测试其5个平行试件的拉伸强度和拉伸模量,图4环氧/玻璃纤维复合材料拉伸强度玻纤复合材料拉伸模量605550(edN)454035300图5环氧/玻璃纤维复合材料拉伸模量由图4和图5可知,随湿热老化
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