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RTM成型碳/环氧复合材料非平衡浸润过程与界面性能调控

马克明  
【摘要】:树脂传递模塑(RTM)作为一种先进的复合材料成型工艺,以其低成本、成型速度快、产品质量好、对环境污染小等优点受到日益广泛地关注。在复合材料的RTM成型工艺中,树脂体系在纤维预制体中流动的同时,基体组分吸附在纤维表面从而形成传递载荷的界面,界面性能的好坏会直接影响复合材料最终的力学性能,因此在RTM成型工艺中提高复合材料性能的关键在于形成良好的界面粘结。 RTM成型的工艺特点决定了增强材料与树脂基体的接触时间较短,容易由于浸润不充分而形成不良的纤维/树脂结合界面。另外,由于纤维表面对树脂组分具有不同的吸附能力,树脂组分在增强纤维表而存在竞争性吸附,组分的浓度在基体流动方向上会出现梯度变化,使复合材料不同位置的性能出现差异,从而影响复合材料制品的性能一致性。因此,为了制备高性能的RTM复合材料,有必要对增强纤维进行表面改性,以提高纤维的浸润性能,改善纤维/树脂基体的界面粘接性能,有效控制由于竞争性吸附所导致的性能不均匀性。 本文采用差示扫描量热法(DSC)分析、动态力学热分析(DMTA).流变性能、凝胶化性能和力学性能测试等手段,对RTM成型用环氧树脂混合体系进行了系统的研究。研究表明:E-51/TDE-85为0.3的树脂混合体系具有最佳的综合性能,在室温下具有较高的化学稳定性和足够长的适用期,在45℃-100℃范围内可满足RTM工艺的基本要求,最适宜的RTM注射温度应控制在45℃-80℃范围内。 采用低温氧等离子体处理工艺对碳纤维表面进行了处理,通过X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、动态接触角分析(DCA)、动态力学热分析(DMTA)以及层间剪切强度(ILSS)测试等手段,研究了处理时间对碳纤维表面化学成分、表面形貌和粗糙度、表面自由能以及碳/环氧树脂复合材料界面粘接性能的影响。研究表明:低温氧等离子体处理能在碳纤维表面引入一C=O、-COOH/一COOR等极性基团,使其含量增加,等离子体对碳纤维表面具有刻蚀作用,使碳纤维表面的粗糙度增加,自由能增大,碳纤维的浸润性能得到明显改善。低温氧等离子体处理能使碳纤维与环氧树脂基体间的界面粘接强度提高,从而使碳/环氧复合材料的层间剪切强度增大。 采用稳态荧光光谱分析(FS)、ILSS和弯曲强度测试,研究了低温氧等离子体处理对RTM碳/环氧树脂复合材料动态非平衡浸润过程及此过程对复合材料最终力学性能的影响。研究表明:经低温氧等离子体处理后,碳纤维对树脂基体各组分的吸附能力发生改变,在RTM成型工艺中,树脂体系中固化剂含量在流动方向上会出现梯度变化,从而导致复合材料不同位置力学性能出现不一致。低温氧等离子体放电功率300W、放电气压15Pa、处理时间5min时,通过RTM工艺制备的复合材料具有最佳的力学性能一致性。 通过超声波技术对RTM成型碳环氧树脂复合材料的浸润过程进行了强化,研究了超声波对环氧树脂基体的粘度、复合材料界面和力学性能以及复合材料微观孔隙的影响,研究表明:超声波能使碳/环氧RTM复合材料的界面粘结强度得到明显提高。超声波频率和处理时间对复合材料的力学性能具有显著影响,并且会影响碳/环氧RTM复合材料微观孔隙的尺度和分布。最佳的超声波处理工艺条件为:输出功率300W;频率20KHz;处理时间30min。 采用光纤布拉格光栅(FBG)对RTM成型碳/环氧树脂复合材料的固化工艺进行了实时监测,研究结果表明:在复合材料的固化工艺中,复合材料的内部温度与烘箱内的温度存在差异和滞后现象。复合材料的玻璃化转变温度为185℃,凝胶化温度为137℃,在固化100min后出现凝胶化,固化工艺完成后碳/环氧树脂复合材料的内部残余应变为-243.1με。


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