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潜用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料吸水性能研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-04-02  来源:中国户外用品网
核心提示:  TDE-85树脂体系吸水率与时间关系试验曲线与计算曲线在室温人工海水介质中浸泡树脂浇铸体试样,得到吸水率与时间关系结果如所示,图(a)为树脂基体吸水率与时间关系曲线,图(b)为模拟了吸水率与时间平

  TDE-85树脂体系吸水率与时间关系试验曲线与计算曲线在室温人工海水介质中浸泡树脂浇铸体试样,得到吸水率与时间关系结果如所示,图(a)为树脂基体吸水率与时间关系曲线,图(b)为模拟了吸水率与时间平方根关系,其结果与Fick定律吻合良好。

  3.2复合材料吸水规律3.2.1复合材料吸水过程在浸泡复合材料吸水试样的过程中,试样颜色由边缘至中心逐渐泛白,如(b)阶段,在试样表面全部泛白一段时间后,在边缘和中心各取试样若干,由所示,边缘样品全部泛白,水分子扩散到复合材料所有铺层,中心试样侧边情况则表明只有表面若干铺层被水分子浸渗严重,越靠近中心铺层水分子的影响越小。这种情况表明水分子在复合材料中的扩散过程是由边缘向中心、由表面至内部的过程。

  3.2.2复合材料吸水率与时间关系所示为不同纤维体积含量吸水率与时间关系曲线图,由图知,不同纤维体积含量试样在初期的吸水率几乎一致,认为在此阶段主要是表面层树脂基体的吸水作用,此阶段定义为吸水第一阶段;随着时间的延长,纤维的毛细作用开始显现,导致不同纤维体积含量吸水率不同,此差异随着时间的延长而愈发明显。(b)为吸水率与时间平方根关系的线性拟合曲线,计算结果表明复合材料吸水情况不完全符合Fick定律,当吸水时间越长,实际吸水率大于计算值,再次说明纤维作用是复合材料吸水机制中的重要组成部分。

  复合材料吸水率与时间关系曲线与计算曲线由同样可知,高纤维体积含量吸水率小于低纤维含量吸水率,主要原因为在复合材料吸水过程中,纤维自身吸水作用可以忽略不计,纤维起到通道作用,水分子通过纤维通道进入复合材料内部,使树脂基体结构发生变化,低纤维体积含量中树脂含量高,因此吸水率高;但是这种趋势并非绝对,在纤维体积含量相近的情况下会有相反的结果,说明并非所有的纤维都能形成有效的毛细通道,有其他因素制约着纤维输水作用,如基体-纤维界面结合的优劣。

  3.3复合材料界面与吸水性能相互影响3.3.1吸水对复合材料界面的影响复合材料吸水作用不仅仅会使树脂基体的性能下降,脆化,同时会破坏纤维与基体的界面。为非浸水试样与浸水试样表面的电镜照片,对比(a)、(b),浸水试样在界面处被侵蚀,(c)、(d)为铺层内树脂与纤维间的结合,浸水试样中少量纤维与基体之间出现缝隙,形成纤维通道,界面结合变差。

  用剪切强度可以估计复合材料的界面结合的强弱为37%时剪切强度为56.剪切强度为59.7MPa,Vf为48%时剪切强度为60.5MPa.尽管用相同工艺参数制备同厚度不同纤维含量的复合材料试验件,并不能保证微观的界面结合处于完全相同的水平。

  是三种不同纤维体积含量的拉伸断口照片,纤维含量为37%的照片,在拉伸过程中有强烈的分层破坏。纤维含量为44%和48%的分层程度从表观来看相差无几,与剪切强度结果吻合一致。通过对比知,Vf为44%的界面结合最好,其他两者稍差。

  不同纤维体积含量拉伸断口SEM照片/2000x界面结合差,界面相对容易被破坏,对于大多数树脂而言,韧性不高,吸水会造成树脂与纤维的分离,这就为水分子的进入提供了通道,导致更多的内部树脂的吸水,因此界面结合优劣是影响复合材料吸水性能的重要因素之。

  通过上述分析,在吸水初始阶段,主要为表层的树脂的吸水作用,与中曲线初始阶段吻合,随着吸水时间的延长,水分对相对较弱的界面造成破坏,纤维的通道作用开始显现。界面结合愈弱,界面愈容易被破坏,能够形成的有效通道愈多,吸水作用愈强烈,导致更大的破坏,形成恶性循环,属于负向增强效应。这种负向增强效应导致后期吸水率异越来越大。Vf为48%的界面在微观上不如Vf为44%结合完善,因此出现高纤维含量的吸水率高于相对低纤维含量的吸水率;Vf为37%试样不仅树脂基体含量高,而且界面结合差,容易形成更多的通道,随着时间的延长吸水率的差距呈现增加的趋势,该结论与中所示趋势相吻合。

  3.4复合材料吸水对力学性能的影响比较了Vf为44%的复合材料未浸水与浸水两周后的试样力学性能,吸水作用使力学性能下降,性能的分散性增加。在拉、弯、剪三种力学破坏方,对界面依赖性最强的剪切性能下降最多,下降幅度达50%,弯曲性能次之,下降幅度为20%左右,拉伸性能则在10%左右,从模量上看,拉伸模量处于同一水平,弯曲模量下降幅度达到25%.该结果再次证明吸水作用破坏了复合材料界面结合。该结果同样说明吸水作用严重衰减复合材料的力学性能,对作为结构使用的复合材料破坏性不可忽视。

  复合材料未浸水试样与浸水试样性能比较4总结复合材料吸水过程中,树脂基体是吸水的主体,基本符合Fwk定律,部分纤维则会形成通道,随着时间的延长,通道的作用愈加明显,实际材料吸水率大于Fick定律计算结果。

  相同材料体系中,纤维体积含量低,则树脂含量高,导致吸水率大,此外吸水与界面破坏的负向增强效应也是吸水率快速增大的原因之界面结合的优劣是复合材料吸水作用的重要影响因素。

  吸水作用严重衰减了复合材料的力学性能,因此在水下环境中的复合材料制品要求选择低吸水率材料体系,同时要保证制品的完整性,无暴露纤维以及孔隙表面裂纹等缺陷,同时要涂覆疏水涂层,加强防护。

 
 
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