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高模量树脂基体及高抗压复合材料的研究

郑亚萍  
【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。


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