高模量树脂基体及高抗压复合材料的研究

【摘要】： 树脂基复合材料已在主承力构件中得到了应用，结构材料更多的是承受 压缩和弯曲载荷，在实际中对抗压复合材料提出了越来越高的要求，研究和 解决树脂基复合材料压缩强度和弯曲强度偏低的问题，更能有效地发挥树脂 基复合材料的优越性能。提高树脂基复合材料压缩性能的关键问题是提高树 脂基体的模量。 根据国外学者利用反增塑法提高树脂基体的模量，发现模量的提高与自 由体积之间有着密切的关系，首次提出了采用高密度树脂制备高模量基体的 新方法。选择高密度的环氧树脂TDE-85作为基体的主要组分，分别以间苯二 胺（MPD），改性间苯二甲胺（A-50），4.4′-二基氨基二苯基甲烷（DDM），4.4′-二 氨基二苯基砜（DDS），2-甲基4-乙基咪唑（2.4-MI），双氰胺（DICY）为固化 剂，研制出了三种高模量高强度的树脂基体，其拉伸模量大于5.0GPa，压缩 模量大于6.0GPa，拉伸强度大于80MPa。一般环氧树脂基体的压缩模量通常 为4.21GPa左右，本文研究结果高于国外利用反增塑法制备的压缩模量为4.6GPa 的树脂基体，完全满足了高抗压复合材料（例如深潜壳体用材）对树脂基体 的性能要求。 通过力学性能及DTA分析，系统研究了TDE-85/胺体系的最佳配比、固化 工艺及动力学参数，为高模量树脂基体的实际应用提供了理论依据。研究了 浇铸体密度、线膨胀系数、玻璃化温度与模量的关系，探讨了模量大幅度提 高的机理。研究表明，体系的化学键密度是支配模量高低的主要因素，随着 密度增大，基体模量与玻璃化温度升高，线膨胀系数降低。 研究了基体模量对玻璃纤维增强复合材料单向板各项性能的影响。结果 表明，随着基体模量的提高，复合材料的拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、 剪切性能显著提高。玻璃纤维复合材料的压缩强度达1337.5MPa，与T300/环 氧树脂复合材料的压缩强度（1378MPa）接近：弯曲强度达2324.6MPa，远高 于T800/环氧树脂复合材料及各种高性能复合材料的弯曲强度。利用SEM对复 合材料的压缩、剪切断口进行了观察，发现高模量树脂基复合材料承受压缩 载荷时，出现纤维压断；承受剪切载荷时，分层不明显。 利用纳米材料SiO_2、TiO_2、α-Al_2O_3改性双酚A型环氧树脂。采用表面处 理与超声波、均质高速分散机结合，解决了纳米粒子均匀分散的技术难题， 摘要 使纳米粒于较均匀地分散于树脂基体中。本文采用的三种纳米粒子均使环氧 树脂的模量与玻璃化温度提高，在低含量范围内，拉伸模量的变化规律，符 合Einstein公式；当含量较高时，纳米粒子与基体的热膨胀系数不同而产生少 量内应力，未分散的团聚体中存在少量气泡，使模量降低。 以纳米m、高强玻璃纤维共同增强环氧树脂，制备纳米纤维环氧树脂 复合材料。发现纳米粒子的加入，使纤维复合材料的各项性能得以提高，尤 其是弯曲强度，而对复合材料的工艺性没有影响。这一研究在国内尚未见报 道。 利用正电子淹没技术测试了自由体积，首次用实验验证了模量与自由体 积的密切关系。对于tilE．85／胺体系，在环氧基／胺摩尔比相同的条件下，固 化剂交联点距离增大，堆砌密度降低，浇铸体密度降低，自由体积的尺寸与 浓度增大，浇铸体的模量与玻璃化温度降低。对于TDE｛5／A50体系，完全反 应时，分子堆砌密度最大，自由体积的尺寸与浓度最低，模量最高：体系中 有未反应的单体时，自由体积尺寸与浓度增大，模量降低；对于环氧树脂 CYD．128，采用不同的固化剂，在配比不同的条件下，自由体积浓度降低， 模量升高。纳米粒子的加入，使自由体积尺寸增大，自由体积浓度降低，模 量与玻璃化温度升高。