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雜質對復合材料性能的影響
時間:2005-07-05
碳纖維增強樹脂基復合材料由于低密度、高強度、高模量和低膨脹系數(shù)等性能，在汽車工業(yè)、建筑材料、體育制品等領域有著越來越廣泛的應用。特別是高模量碳纖維／環(huán)氧樹脂復合材料在航空航天領域有著更為廣泛的應用，當今衛(wèi)星的主承力結構件、次承力結構件甚至地面裝置，盡量采用它們制造。然而在復合材料制件的制造和使用過程中由于環(huán)境因素導致復合材料力學性能下降，影響了復合材料的可靠性，制約了復合材料的應用。因此，本文重點研究了加工過程中水及脫模材料對復合材料性能的影響，結果清楚顯示雜質的混入能夠導致復合材料性能嚴重下降。由此可知加工過程中環(huán)境的嚴格控制是得到高可靠性復合材料的主要因素之。
2 實驗部分
（ 1）原材料
碳纖維預浸料： M40－3K－40B／648環(huán)氧樹脂，含膠量：39±3％，纖維含量117g／m2，厚度：0.125mm。
（2）雜質選擇
自來水及脫模材料。
（3）試件制備
單向鋪層，14層，含膠量 32±3％；AO板：標準板，沒有任何雜質；AI－AS板：自來水整層均勻噴灑，單層噴灑重量30.77g／m2，具體噴灑位置見圖 1黑體部位 ；BI－B4板：雜質種類：脫模材料（特 221號潤滑膏，SH0459－92），材料寬度約25mm，單層重量 2.36mg／cm2‘層，共兩層，刷涂位置見圖 2黑體部位；固化工藝見表1。
表1 復合材料試樣固化工
| 罐內(nèi)空氣溫度/℃ |
模具溫度/℃ |
保溫時間/min |
真空/MPa |
充氣壓力/MPa |
| 室溫 |
室溫 |
0 |
0.092 |
0 |
| 110 |
85 |
30 |
0.092 |
0 |
| 145 |
125 |
0 |
0.092 |
0.4 |
| 170 |
165±5 |
120 |
0.092 |
0.4 |
| 降溫 |
165 |
0 |
0.092 |
0.4 |
| 降溫 |
50 |
自然冷卻 |
0 |
0 |
（ 4）實驗用主要設備
美國MTS力學性能試驗機，100Kg材料試驗機。
(5）性能測試
拉伸性能按GB／T3354－99測試，壓縮性能按GB3856－83測試，層間剪切性能按GB3357－82測試，彎曲性能按GB／T3356－99測試。
3 結果與討論
3．1 雜質對復合材料性能影響實驗結果
復合材料在加工過程中，外部環(huán)境中的固體顆粒及濕度能夠嚴重影響復合材料的機械性能。加工過程中由于操作人員的不小心，可能導致脫模材料混入復合材料制件中，同樣會對復合材料的性能及可靠性構成致命的危害。本課題研究方案是通過在復合材料的鋪制過程中故意分別加入了自來水及常用脫模材料，根據(jù)力學性能測試相關標準得出了實驗結果，表2為水的不同含量對復合材料性能影響實驗結果，表3為脫模材料刷涂不同位置對復合材料性能影響實驗結果（含脫模材料的板材在加工測試力學性能用試片時脫模材料應在試樣的中部）。
3．2 試驗結果討論
與無任何雜質標準板材機械性能數(shù)據(jù)對比，含雜質復合材料板材各種強度及模量有不同程度的下降，有些甚至下降的比較嚴重。另外也可以看出，雜質含量越高，對各種性能影響越大。由此可知，在復合材料加工過程中，雜質的混入可導致復合材料性能下降。
液體雜質對復合材料結構的影響可能歸結于以下幾種因素：
①增加孔隙含量：液體雜質的存在可能增加復合材料的孔隙含量，因為在固化過程中液體的揮發(fā)在復合材料中留下孔隙?？紫逗康奶岣吣軌驀乐亟档蛷秃喜牧系臋C械性能；
②纖維含量的提高：含有雜質試樣在固化名門到中大約3一4%的樹脂被擠出，導致復合材料纖維含量的提高，可能是ILSS降低的因素之一；
③液體雜質抑制結合：液體雜質可能抑制環(huán)氧樹脂的粘結性能；
④另外的因素可能是在復合材料固化成型過程中雜質影響了環(huán)氧樹脂的化學與界面成分；
⑤測試結果顯示不含有雜質的多層板結合好，它是作為一個整體共同承擔載荷，含有雜質的試樣由于層間疏松，性能下降。這是因為無雜質時復合材料中纖維與環(huán)氧樹脂結合力好，含有雜質時，基體／纖維界面受到影響，不同層門纖維被分開導致結構疏松，性能下降。加載時，由于結合差，含有的雜質引起應力集中導致部分纖維首先承擔載荷，受載纖維失效，然后其它纖維承擔載荷，又快速斷裂。
總之，加工過程中由于雜質的混入，導致復合材料產(chǎn)生各種缺陷，如孔隙、分層等。所以，與無雜質試樣相比，在同樣載荷條件下，由于模量更小，應變更大．失效載荷也更小。當然最終拉伸強度及模量還與其它因素有關，如纖維、基體性能，界面結合強度，孔隙含量，內(nèi)部應力應變的分布情況等。
4 結論
實驗結果表明加工過程中水及脫模材料的混入能夠嚴重影響復合材料的拉、壓、彎、剪性能。因此在加工過程中，為制得符合性能設計質量要求的產(chǎn)品，避免各種雜質混入影響復合材料的可靠性，在確保原材料及制品設計合理的前提下，還應對如下方面進行有效控制與管理：
（1）對原材料的質量進行全面的檢驗，使用前儲存在潔凈、溫、濕度適宜的環(huán)境中；
（2）對制造復合材料所用設施、設備、模具進行有效管理；
（3）保證作業(yè)場所清潔、通風良好、溫、濕度適宜；
（4）對成型、固化工藝有效控制；
（5）操作人員有較高的技能。制定產(chǎn)品質量標準及工藝規(guī)程，在生產(chǎn)中嚴格執(zhí)行，只有這樣才能避免成型過程中各種缺陷的產(chǎn)生，確保復合材料制品質量得到設計要求。
