#高性能有机纤维增强复合材料的界面性能研究

高性能有机纤维增强复合材料的界面性能研究201001130606高同舜高性能有机纤维增强复合材料的界面性能研究摘要：为了改善超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维、芳纶纤维增强树脂基复合材料的界面粘结性能，本文从树脂基体入手，依据相似相容原理和纤维的结构特点开发出两种新型热固性树脂—PCH树脂和AFR树脂，分别用作UHMWPE纤维复合材料和芳纶复合材料的基体，以未经表面处理的纤维作增强材料，采用热压成型法制备了UHMWPE纤维/PCH和芳纶/AFR复合材料，并通过测定接触角、层间剪切强度(ILSS)、横向拉伸强度和扫描电镜观察形貌等方法研究了复合材料的界面粘结性能。结果表明：UHMWPE纤维和PCH树脂浇注体的溶度参数相近，PCH树脂溶液在UHMWPE纤维表面的接触角为15.6°，说明对其具有良好的浸润性；UHMWPE/PCH复合材料的ILSS和单丝拔出强度分别为42.6MPa和21.8MPa，均远大于UHMWPE/环氧树脂(EP)复合材料的相应强度，扫描电镜分析也表明UHMWPE纤维增强PCH树脂基复合材料具有优异的界面粘结性能。AFR树脂溶液和芳纶纤维的接触角为42.8°，而EP和芳纶的接触角为68°，说明AFR树脂对芳纶的润湿性优于EP；芳纶/AFR复合材料的ILSS、横向拉伸强度和纵向拉伸强度分别为74.6MPa、25.3MPa、2256MPa，比芳纶/EP复合材料的相应强度分别提高了28.7%、32.5%和13.4%，其复合材料破坏面的形貌也说明芳纶和AFR树脂之间的界面粘结性能较好。Abstract:InordertoimprovetheinterfacialadhesionofUHMWPEfiberandaramidfiberreinforcedpolymermatrixcomposites,twonewthermosettingresinsystems(PCHandAFR)havebeendevelopedaccordingtolawofsimilarmutualsolubilityandthestructuralcharacteristicsoffibers.TheadhesionpropertiesofUHMWPEfiber/PCHandaramid/AFRcompositeswereinvestigatedbythemethodsofthecontactangle,interlaminarshearstrength,transversetensilestrengthandscanningelectroncroscopyetc.Testresultsshowthatastronginteractionoccursbetweenfibersandthematrixduetothestructuralandpolarsimilarity.InthecaseofslightifferencebetweensolubilityparametersofUHMWPEfiberandcuredPCHresin,itisfoundthatthewettabilityofPCHresinonsurfaceofthefibercanbeimprovedandUHMWPE/PCHcompositehasexcellenttransversetensilestrength,interlaminarshearstrengthandthepull-outstrengthtogetherwiththeoutstandinginterfacialbondproperty.Thecontactangle(42.8°)betweenAFRresinandaramidfiberissmallerthanthecontactangle(68°)betweentheepoxyresin(EP)andaramidfibers.Therefore,theAFRresinhadbetterwettabilitywiththearamidfibers.Thenterlaminarshearstrength,transversetensilestrengthandlongitudinaltensiletrengthofaramid/AFRcompositearerespectively74.6MPa,25.3MPaand2256MPa,increasingby28.7%,32.5%and13.4%respectivelycomparedwitharamidfibers/EPcomposite.AccordingtotheSEMphotographofaramidfibers/AFRcomposite,AFRresinhadgoodinterfacebondingperformancewitharamidfibers.关键词：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维芳纶纤维复合材料界面粘结性Keywords:UHMWPEfiber;aramidfiber;composites;interfacialadhesion1引言超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维和芳纶等有机纤维以其高比模量、高比强度、低密度、耐冲击等优异性能在航空航天、军事等多个领域得到了使用，但由于其结构导致的纤维表面呈现出较大的化学惰性，纤维和树脂的界面结合能较低，粘附性及浸润性很差，两相界面粘结不理想，而载荷又都是通过界面来进行应力传递的，导致复合材料的层间剪切强度低，影响了复合材料综合性能的发挥，限制了它在复合材料中的广泛使用。因此，针对提高UHMWPE纤维和芳纶增强复合材料界面性能的研究是国内外材料界研究的热点，是纤维增强复合材料使用中迫切需要解决的关键科技问题之一。最常使用的技术手段是对纤维的表面进行处理以提高纤维和基体之间的界面粘结强度。常用于有机纤维表面改性的方法主要包括等离子体处理、化学试剂处理、辐射引发表面接枝处理、电晕放电处理等。纤维经过处理后有的表面粗糙度发生了变化，有的则被引入了活性基团，有的表面引入一层涂层等，其最终作用都是使纤维表面能发生变化，改善纤维和基体树脂之间的粘结性能。国内外研究的有机纤维表面处理方法很多，但真正实际使用的很少。因为不管是化学改性还是物理改性都存在处理工艺复杂、连续在线处理困难、会对纤维表面结构造成一定程度的损伤、有三废等问题。批量连续在线处理和易于实现工业化特点的处理方法是今后表面改性技术研究和发展的主要方向。为改变这一情况，我们的研究思路是从树脂基体入手，依据相似相容原理和纤维的结构特点开发出两种具有良好浸润性的新型热固性树脂—PCH树脂和AFR树脂，分别用作UHMWPE纤维复合材料和芳纶复合材料的基体，以未经表面处理的纤维作增强材料，采用热压成型法制备了性能优异的UHMWPE纤维/PCH[1,2]和芳纶/AFR复合材料[3]，并从树脂溶液和纤维的接触角、单向复合材料的层间剪切强度、横向和纵向拉伸性能、破坏断面形貌等方面来评价树脂和纤维之间的界面粘结性能。2实验部分2.1实验原料UHMWPE纤维，荷兰DSM公司；芳纶纤维（进口）；PCH树脂、AFR树脂，自制；E-51环氧树脂（EP），上海树脂厂有限公司；苯乙烯、丙酮，上海凌峰化学试剂有限公司。2.2单向纤维复合材料层压板的制备首先将计量好的树脂及各种助剂依次加入，制得树脂胶液；将制备好的树脂胶液浇入模具中，经固化后得到树脂浇注体。用环向缠绕法制备单向纤维预浸料，按所需尺寸裁剪铺叠后置于模具中，再放入液压机内按照确定的工艺条件热压成型，即可得到单向复合材料层压板；然后按相关标准切割制样。2.3性能测试(1)PCH树脂浇注体溶度参数的测定本实验采用平衡溶胀法测定PCH树脂浇注体的溶度参数(δ)。使用正庚烷和苯乙烯制备溶胀剂，其溶度参数值分别为15.14(J/cm3)1/2、19.03(J/cm3)1/2。根据混合溶剂的溶度参数公式(1)，设定一系列不同的正庚烷和苯乙烯的含量比值，可获得具有不同溶度参数的溶胀剂。δmix=φhδh+φsδs(1)式中，δmix为正庚烷和苯乙烯混合溶剂的溶度参数；φh和φs分别为正庚烷和苯乙烯的体积分数；δh和δs分别为正庚烷和苯乙烯的溶度参数。(2)接触角测试采用液滴法测试树脂溶液和纤维表面的接触角。用微量进样器抽取2μL树脂溶液滴在纤维表面，用JC2000型接触角测定仪连续记录不同时间下的树脂液滴在纤维表面的实际状况，并通过计算机软件分析计算出液滴和纤维表面的接触角。(3)微复合材料单丝拔出测试采用滴液法制备微复合材料试样。单丝拔出试验在YG020B型电子单纱强力机上进行。用SZM45B型光学显微镜测量纤维半径，用游标卡尺量出胶滴直径。单丝拔出强度根据下式计算：τpull-out=P/(πdl)(2)式中，P为纤维拔出最大载荷，l为纤维半径，d为树脂胶滴直径。(4)单向复合材料力学性能测试采用深圳CMT5105型电子万能试验机测试单向复合材料层间剪切强度(ILSS)和拉伸性能。层间剪切强度测试按照GB3357-82《单向纤维增强复合材料层间剪切强度测试》，试样的尺寸为25mm×6.0mm×3.0mm，跨厚比为5:1，加载速度为2mm/min。纵向拉伸性能和横向拉伸性能测试按照GB3354-82《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》。(5)复合材料破坏面形貌的观察采用日本JEOL公司的JSM-6360LV扫描电镜(SEM)观察分析单向复合材料层压板断裂面的形貌特征和单丝拔出前后纤维的表面状态变化，样品表面经过喷金处理。3结果和讨论3.1UHMWPE纤维/PCH复合材料的性能研究树脂溶液对纤维表面的良好浸润是获得良好界面粘结性的一个重要方面，接触角测试是经常用来表征树脂溶液对纤维浸润性的方法。图1显示了PCH树脂溶液在UHMWPE纤维表面的实际状况。从图中可以看出，PCH树脂溶液在UHMWPE纤维表面具有较小的接触角(θ=15.6°)，这表明PCH树脂溶液和UHMWPE纤维之间存在良好的浸润性。图2显示了PCH浇注体的溶胀曲线。从图2可见，PCH浇注体在溶胀剂中的最大溶胀比Qmax以及对应的溶胀剂的溶度参数δs=17.04(J/cm3)1/2。根据相似相容原理，δs可以被认为是PCH浇注体的溶度参数值。从表1中可以看出，UHMWPE纤维的δ值和PCH树脂浇注体的δ值非常接近。表明UHMWPE纤维和PCH树脂具有相似的结构和极性，从而能够导致UHMWPE纤维和PCH树脂具有较强的相互作用。表2显示UHMWPE纤维/PCH复合材料的层间剪切强度、单丝拔出强度和横向拉伸强度分别能达到42.6MPa、1.8MPa和13.2MPa，明显高于UHMWPE纤维/EP复合材料的相应强度。UHMWPE/PCH复合材料湿热前后层间剪切强度变化较小，强度保留率高，这表明UHMWPE/PCH复合材料不仅具有优良的界面粘接性能，还具有优良的耐湿热性能。图3显示出了单丝拔出前后纤维表面显微结构的变化。通过比较图3(a)和图3(b)，可以发现在单丝拔出后的纤维表面存在树脂层，这表明在纤维和基体之间存在良好的界面结合。图4显示了复合材料试样层间剪切断面的SEM图，从图中可以观察到有树脂残留在纤维的表面，同样可以证明在UHMWPE纤维和PCH树脂之间存在良好的界面结合。UHMWPE纤维/PCH复合材料的冲击强度为141kJ/m2，复合材料优异的抗冲击性能源于其界面性能和基体韧性的综合作用。图5显示UHMWPE纤维/PCH复合材料具有很低的介电常数值(2.20ε’2.53)和介电损耗角正切值(1.50×10-3tanδ1.81×10-2)，并且在较大的温度和频率范围内表现出稳定性。室温下，当频率为1MHz时，复合材料的介电常数ε为2.32，介电损耗tanδ为1.05×10-3。优良的介电性能使得UHMWPE纤维/PCH复合材料成为天线罩等高性能透微波材料的极好选择。3.2芳纶纤维/AFR复合材料界面粘结性的研究为了研究AFR树脂和芳纶纤维的浸润情况，分别测试了AFR树脂丙酮溶液、EP