環氧樹脂界面性能的影響(上海精宏DZF-6050使用)

０ 引 言

碳纖維增強樹脂基復合材料具有比強度和比剛度 高、抗疲勞性好等優點廣泛應用于輕型結構中的主承 力結構，特別是在航空、航天、汽車、船舶以及能源等領域。對于碳纖維增強樹脂基復合材料，界面是增強 纖維與樹脂基體粘接的微觀過渡區域，載荷通 過 界 面 在增強纖維與樹脂基體之間進行傳遞。因此，當復 合材料暴露在環境條件下，界面的性能演化將 直 接 影 響其復合 材 料 的 整 體 宏 觀 機 械 性 能，如 層 間 剪 切 強 度，耐沖擊性能等。

１ 實 驗

１．１ 原材料

１．１．１ 原材料

碳纖維，Ｔ３００Ｂ（３Ｋ），未上槳，日本東麗公司；雙酚 Ａ 型 環 氧 樹 脂，牌 號 ＷＳＲ６１８，上 海奧 屯 化 工 科 技 公 司，工業級；多元胺固化劑，牌號５９３，上海奧屯化工科 技公司，工業級；水性上漿劑，牌號 ＥＰ８７６，麥可門化工 貿易有限公司，工業級；導電銀膠，牌號 ＹＣ－０１，南京喜 力特膠粘劑公司；脫模劑，牌號 ＨＤ－９１８－１，上海東恒化 工有限公司。

１．１．２ 設備

ＺＹＭＣ－２００Ｖ 型非介 入 式 材 料 均 質 機，深 圳 中 毅 科技有限公司；上海精宏DZF-6050型真空干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；Ｂ２９０１Ａ 型 精 密型電源測量設備， Ｋｅｙｓｉｇｈｔ（中國）有限公司；２０４ＨＰ型差式掃描量熱儀 （ＤＳＣ），德 國 ＮＥＴＺＳＣＨ 公 司；Ｓｐｅｃｔｒｕｍ１００ 型 傅立 葉紅 外 光 譜 儀 （ＦＴ－ＩＲ），美 國 Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ 公 司； ＰＨ１５０００ＶｅｒｓａＰｒｏｂ型 Ｘ 射 線光 電 子 能 譜 儀（ＸＰＳ）， 日本 ＵＬＶＡＣ－ＰＨＩ公司；ＱｕａｎｔａＦＥＧ２５０型掃描電子 顯微鏡（ＳＥＭ），美 國 ＦＥＩ公 司；復合 材 料 單 絲 斷 裂 試 驗機，自制。 

１．２ 實驗過程

１．２．１ 碳纖維上漿及界面組分混合試樣的制備

選用麥可 門 公 司 的 ＥＰ８７６上 漿劑對碳纖維進行 上漿處理。將上漿劑和去離子水按質量比１∶１０的比 例進行充分混合，制備成上漿液。碳纖 維 束 絲 浸 潤 上 漿劑后放置在環境箱中，在１３０ ℃下烘干１ｈ，冷卻后 得到上漿碳纖維試樣。

１．２．２ 碳纖維／環氧樹脂界面組分的制備碳纖維／環氧樹脂的界面組分

主 要 是 由 上 漿 劑 和 環氧樹脂相互擴散后形成的固化產物組成的，其 組 分 不同于上漿劑，也不同于環氧樹脂。本 文 將 上 漿 劑 和 Ｅ５１環氧樹脂按１∶１（質量比）混合均勻，按照比例加 入固化劑后于７０℃下固化９ｈ，模擬碳纖維／環氧樹脂 復合材料界面組分，以下簡稱界面組分。

１．２．３ 碳纖維單絲／環氧樹脂復合試樣的制備

在模具表面均勻涂抹一層 脫 模 劑，并 將 銅 電 極 固 定在模具凹槽的兩端，然后將碳纖維單絲固定在模具 凹槽的中 心 位 置。使 用 導 電 銀 膠 將 纖 維 與 銅 電 極 連 通，導電銀膠固化制度為８０ ℃下保溫２ｈ。將環氧樹 脂和固化劑按５∶１（質量比）混合后放入材料均質機 進行脫泡后 澆 注 到 模 具 中，固 化 工 藝 為７０ ℃下 保溫 ９ｈ，待模具冷卻至室溫后脫模得到如圖１（ａ）所示的試 樣，試樣尺寸見圖１（ｂ）。

１．２．４ 電熱作用實驗

使用 Ｋｅｙｓｉｇｈｔ公司的Ｂ２９０１Ａ 型精密電源對碳纖 維單絲／環氧樹脂復合試樣進行直流電流加載，電流大 小為０～８ｍＡ，通電時長為１ｈ。

１．３ 性能測試及表征

１．３．１ 界面組分的性能測試

采用ＳＥＭ 觀察碳纖維絲束上漿前以及上漿后電 熱作用下的表面形貌；采用 ＦＴ－ＩＲ 及 智能 化 ＡＴＲ 附 件對碳纖維／環氧樹脂復合材料界面組分混合體系樣 品進行紅外光譜測試，波數范圍為５００～４０００ｃｍ－１， 分辨率為０．４ｃｍ－１；采用 ＸＰＳ對 碳纖 維／環 氧 樹 脂 復 合材料界面組分混合體系樣品進行化學結構 的 分 析； 采用 ＤＳＣ對碳纖維／環氧樹脂復合材料樹脂基體和界 面組分混合體系樣品進行測試，測試條件：氮氣流速為 ２０ｍＬ／ｍｉｎ，升溫速率為２０ ℃／ｍｉｎ，溫度區間為２５～ ３００ ℃，樣品質量為５～１０ｍｇ。

１．３．２ 碳纖維單絲／環氧樹脂復合材料的界面剪切強度測試

采用自主研制的復合材料單絲斷裂試驗機對碳纖 維單絲／環氧樹脂復合試樣進行界面剪切性能測試，加 載速率為１．０μｍ／ｓ。拉伸過程中，載荷通過界面由樹 脂基體傳遞給纖維，樹脂基體與碳纖維斷裂伸 長 率 的 差異會導致纖維率先發生斷裂。纖維斷裂處由樹脂塑 性形變而產生的折射現象可通過偏光顯微鏡進行觀 察，并以此來記錄纖維斷裂達到飽和時的斷裂點數以 及斷點處 形 貌，依 據 Ｋｅｌｌｙ－Ｔｙｓｏｎ模型計算界面剪切強度。

２ 結果和討論

可以看出，隨著電流的升高，界面組 分的玻璃化轉變溫度呈現出先升后降的趨勢，即 在０ ～６ ｍＡ 范 圍內，界面組分的玻璃化轉變溫度隨著電 流強度的提升而升高，而當電流超過６ｍＡ 后，界面組 分的玻璃化轉變溫度發生了下降。可能是因為當電流 強度在０～６ｍＡ 時，界 面組 分 發 生 了 后 固 化 現 象，引 起界面組分玻璃化轉變溫度升高；而當電流強 度 超 過 ６ｍＡ 時，較 高電流產生的大量焦耳熱會引發化學老 化，界面組分化學鏈的斷裂及由此造成的交聯密度的 下降開始表現出來，因而玻璃化轉變溫度下降。為考察電熱作用下界面組 分 化 學 基 團 變 化 情 況， 將界面組分在０～８ｍＡ 電流對應的界面溫度下處理 后進行紅外光譜測試。不同強度電流下界面組分的紅外譜圖整體上差 別不大，有部分特征峰的強弱發生了變化，說明了相應 官能團的相對濃度發生了變化，也有新的譜峰產生，其 中８ｍＡ 電流下對應的紅外光譜在１７３１ｃｍ－１處生成 了新的峰，這可能是高溫環境導致界面組分大分子鏈 斷裂而生成的酯基特征峰。

３ 結 論

（１） 電熱作用對碳纖維單絲／環氧樹脂復合材料 界面性能有較大影響。隨著電流強度 的 增 加，碳 纖 維 表面溫度不斷升高，碳纖維單絲／環氧樹脂復合材料的界面剪切強度呈先升后降的趨勢。
（２） ＳＥＭ 測 試結 果 表 明，較 低 強 度 電 流 對 碳 纖 維的表 面 形 貌 無 明 顯 影 響，當電流強度增大到６ ｍＡ 以上時，碳纖維表面開始出現漿料的物理分裂和高溫 裂解現象。
（３） ＤＳＣ測試結果表明，碳纖維／環氧樹脂復合 材料界面組分的 Ｔｇ 受電熱作用影響顯著。電流強度 在０～６ ｍＡ 范 圍內，界面組分發生后固化和物理老 化，促使Ｔｇ 逐步升高；電流強度超過６ｍＡ，界面組分 發生化學老化，Ｔｇ 逐漸下降。
（４） ＦＴ－ＩＲ分 析結 果 表 明，電熱作用對碳纖維／ 環氧樹脂復合材料界面組分化學結構有較大影響。當 電流強度達到７ｍＡ 以 上時，脂肪醚鍵相對濃度明顯下降，證明界面組分聚合物大分子鏈發生破壞。
（５） ＸＰＳ測試結果表明，電熱作用下界面組分中 醚鍵的含量先增后 減，電 流 強 度 在０～６ ｍＡ 時，醚 鍵 含量增加屬后固化反應，６ ｍＡ 以 后醚 鍵 含 量 降 低 是 由脂肪醚發生分解造成的，測試結果與紅外光 譜 的 結 果保持一致。



 

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