高抗压复合材料断口形貌研究.pdfVIP

九、3-合材料性能衰证,测试、评估与方析 高抗压复合材料的断口形貌研究 郑亚萍 宁荣昌 (西北工业大学化学工程系，西安，710072) 摘 要 以高模量环氧树脂，1,:85作为基体，以高强玻璃纤维SGF制备高抗压复合 材料。发现复合材料的性能随基体模量的增加而升高，并通过扫描电镜对复合材料的压缩 与层剪断口形貌进行了分析。发现高模量基体支撑纤维的效果好，承受压缩载荷时，只有少 量纤维被压断;承受剪切载荷时，呈现纤维压断破坏 关镶词 模量 复合材料 抗压强度 X 随着树脂基复合材料性能的不断提高和航海条件对它们影响的认识不断发展，树脂基复合 材料在航海领域的应用正在不断地增加。文献、指出，树脂基复合材料最具潜力的航海应用即在 于制造能在极深海洋下工作的潜艇、潜水器、鱼雷、水下机器人等水下结构件。而制造这种受深 水压力的结构件是当前技术界面临的最困难的问题之一，因为它需要利用现有结构材料的极限 能力。先进树脂基复合材料的不足是压缩性能较低。当复合材料承受压缩、剪切载荷时，其力学 性能主要由基体决定。若基体的刚度不够而承受压力时，基体先达到屈服，不能支撑纤维;承受 剪力时，不能有效地传递应力。因此，提高复合材料的压缩、剪切性能，关键问题在于提高基体的 模量。本文采用高模量环氧树脂TDE-85作为基体，制备高抗压复合材料。 1 实验部分 1.1原材料 环氧树脂TDE-85，环氧值0.85eq/100g，天津合成材料研究院生产; 环氧树脂CYD-128，环氧值0.51一0.54eq/100g，岳阳石油化工总公司生产; 间苯二胺(MPD),化学纯，上海三联化学试剂厂生产; 4.4一二氨基二苯基甲烷(DDM)，化学纯，上海化学试剂厂生产; 4.4，一二氨基二苯基矾(DDS)，化学纯，上海化学试剂厂生产; 高强玻璃纤维(S-GF),80支//4股，密度2.54g/em3,KH-560表面处理，南京玻璃纤维工业研究 院生产; 丙酮，工业品，西安化学试剂厂生产。 1.2 复合材料单向板制备 复合材料的制造工艺为:配胶~缠绕、晾置、剪裁~铺层，压制。脱模、后处理~机加工。 也就是说，TDE-85/MPD浇铸体模量最高,TDE-85/MPD/S-GF复合材料的性能最高，尤其是弯曲强 度高达2324.6MPA。对于TDE-85/MPD/SGF,CYD-128/DDS/S-GF两种复合材料，由于树脂基体不 同，环氧树脂TDE-85比环氧树脂CYD-128交联密度高，导致模量升高，从而使复合材料各项性能 明显升高。而由于DDM,DDS结构相近，两者浇铸体模量相近，复合材料的各项性能也比较接近。 可见，基体的模量对复合材料的压缩、弯曲、剪切性能影响大，而对拉伸性能影响不如前三者大。 这主要是因为复合材料的拉伸性能主要由行维的性能决定，而压缩、剪切、弯曲性能则主要由基 体的性能决定。若树脂基体的模量低，树脂基体变形大，破坏发生在树脂基体内，那么树脂基体 的模量愈高，基体不易变形，能有效地支撑纤维，传递载荷的效率也愈高，使复合材料的弯曲、剪 s合材料— 生命、环瑰与高技米 804 切、压缩强度提高傀一’1。 2 复合材料断口形貌的分析 四种复合材料的压缩断口形貌如图 卜图4所示。 圈1TD85/MPD/SGF压缩断口 图2TD85/DDM/SGF压缩断口 圈3 TDE-85/DD6/SGF压缩断口 图4 CYD-128/DD6/SGF压缩断口 承受压缩应力时，纤维压断，可以看出基体发生明显的剪切位错，伴随着基体开裂，树脂聚集 区呈剪切破坏和界面开裂状，层间起阻挡裂缝扩展的作用，裂缝沿层间扩展引起分层，分层明显。 对于TDE-85基复合材料，具有高模量的基体，刚性大，对纤维的支撑效果好，只有少量纤维被剪 断，这些被剪断的纤维所承受的载荷转移到剩余的纤维上，剩余的纤维在基体刚度还未发生变化 前达到了这一支撑刚度下纤维的失稳临界应力而表现为纤维的屈曲失稳破坏。与前者相比，具 有低模量基体的材料，其刚度与前者相比明显不足，支撑纤维的效果不好，承受纵向压缩载荷时， 塞体达到剪切