超高分子量聚乙烯纤维_碳纤维混杂复合材料研究.pdf
收稿日期:2003207207;修订日期:2004201216基金项目:西北工业大学研究生创业种子基金(Z20030100)、武器装备预研基金资助项目(51412030304HK0356)文章编号:100026893(2004)0520504204超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维混杂复合材料研究何 洋1,梁国正1,杨洁颖1,王结良1,吕生华1,陈成泗2,陈孟群2(1.西北工业大学 化学工程系,陕西 西安 710072)(2.宁波 大成新材料有限公司,浙江 宁波 315300)Study of UHMWPE Fiber/Carbon Fiber Hybrid CompositeHE Yang1,LIANG Guo2zheng1,Y ANGJie2ying1,WANGJie2liang1,LU Sheng2hua1,CHEN Cheng2si2,CHEN Meng2qun2(1.Chemical Engineering Department,Northwestern Polytechnical University,Xian710072,China)(2.Ningbo Dacheng New Material Co.Ltd.,Ningbo315300,China)摘 要:研究了在层内和层间两种混杂方式下,T300与表面处理前后的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维混杂复合材料的弯曲强度和ILSS的变化,结果表明层间混杂复合材料的黏结性比层内混杂好。在相同的混杂方式下,采用未处理的DC88纤维、合成的VE树脂,混杂复合材料的ILSS比E251体系提高25%以上。采用VE树脂和处理后DC88/T300层间混杂,控制含胶质量在40%时,ILSS达到4215MPa,是未处理的DC88/E251体系的ILSS的5倍。混杂复合材料密度在11121124 g/cm3之间,在航空航天结构材料减重上有良好的应用前景。关键词:混杂;UHMWPE纤维;界面黏结性;层间剪切强度中图分类号:TQ32315;V258 文献标识码:AAbstract:Carbon fiber T300 is chosen as a co2hybrid fiber,and two different kinds UHMWPEfiber/T300 hybrid compos2ites are prepared in both inner2laminar and inter2laminar styles.The inter2laminar hybrid composites exhibite better adhesionthan the inner2laminar ones.VE resin which is synthesized in lab increases the adhesion by 25%in comparison to epoxyresin E251.For the optimized system DC88/T300/VE,the ILSS reaches 4215MPa,5 times of the untreated DC88/E251system.ILSSincreases with the increasingof resin content at first,and then decreases withfurther increase,so that a maxi2mum ILSSisobtained in eachof the resin systems.The VEpeakoccurres at a lower resin content range than E251 peak,in2dicating VE has a better adhesion with DC88 than epoxy resin E251.The densityof hybrid composites changesfrom 1112 g/cm3to 1124 g/cm3,which suggestes that the hybrid composite has a potential application in space structures.Key words:hybrid;UHMWPEfiber;interface adhesion;interlaminar shear strength(ILSS)超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维由于具有高强度、高模量、低密度、耐冲击、防中子和射线等优良的性能1,2,成为高性能复合材料用增强纤维的理想选择。但该纤维存在黏结性差、蠕变明显的致命缺陷,难以单独作为复合材料的增强纤维。碳纤维相对于UHMWPE纤维具有较好的黏结性和抗蠕变性,但其耐疲劳性、韧性不佳。本文利用两种纤维的优点,采用混杂的思路38对复合材料的性能进行有目的的设计。1 实验部分111 实验原材料及试剂(见表1)表1 实验原材料及试剂Table 1Material and reagents原材料等级缩写碳纤维T300B23000240B-T300超高分子量聚乙烯纤维DC88200FDC88玻璃纤维S22-GFE251环氧树脂工业级E251VE树脂pH值515VE重铬酸钾化学纯K2Cr2O4浓硫酸化学纯H2SO4丙酮工业级三乙烯四胺分析纯过氧化苯甲酰化学纯BPO112 纤维的处理将按一定比例配制的铬酸注入敞口的处理槽内,固定在水浴中,调节水浴的温度至处理温度,第25卷 第5期航 空 学 报Vol125 No152004年 9月ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICASept.2004 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/以2cm/s的速度使纤维通过铬酸液,经水洗得到处理过的纤维放入100 烘箱烘干备用。113 无纬布的制备对于层间混杂,采取两种纤维锭分别上滚,先后纺制不同的纤维布。对于层内混杂,DC88锭和T300锭同时上滚,同时缠绕形成DC88束和T300束交错相间排列的层内混杂布。混杂布的厚度可以通过调节纤维束的粗细,以及车床主轴和丝杠的转速来调节,两种纤维的混杂比例的调节主要是通过改变纤维束的粗细来实现的。114 复合材料的铺层及压制对于层间混杂,采用T300布和DC88布交替铺层。考虑到T300布一般比DC88布表面规整,复合材料的上下表面均采用T300布,这样对于层间混杂来说T300布的层数NT与DC88布层数ND来说存在着关系:NT=ND+1。对于层内混杂,复合材料的上下表面同样采用T300布,复合材料的总层数N与混杂层Nh之间存在着关系:N=Nh+2。复合材料的制备工艺参数如下:E251树脂体系:75/25min/015MPa+110/5h/1MPa;VE树脂体系:85/20min/015MPa+120/5h/1MPa。115 复合材料的性能测试与表征(1)复合材料的层间剪切强度(ILSS)和弯曲强度分别按G B3357-1982和G B3356-1982中碳纤维复合材料的测试方法进行;(2)借助于SEM对复合材料的微观形貌特征进行表征来分析界面黏结情况;(3)复合材料的密度测定依据=M/V的原理,采用电子称准确称量复合材料试样条的质量M,滴定管准确测定放入试样条前后的体积变化V,计算得到复合材料的密度;(4)复合材料的水煮破坏实验在100的沸水下连续水煮200h,根据水煮前后试样的质量变化以及外观形貌来确定。2 结果与讨论211 混杂复合材料的黏结性(1)混杂复合材料的力学性能表2给出了未处理的DC88纤维混杂复合材料的层间剪切和弯曲性能。表2 未处理的DC88纤维混杂复合材料的剪切和弯曲性能Table 2The mechanical properties of untreated DC88hybrid composite序号基体共混杂纤维共混杂纤维与DC88质量比混杂方式弯曲强度/MPaILSS/MPa121E251-0-13812812122VE-0-17417819123E251T3001165层内353111113124E251T3001130层间395151318125VET3001165层内380141419126VET3001130层间433161717127E251GF2180层间320131416128VEGF2180层间365171812129E251T300-108470121210E251GF-970158318采用未处理的DC88纤维压制的复合材料裁出的试样有明显毛边,可看到切割边上有轻微的分层。表面处理前ILSS小于10MPa进一步说明了DC88的黏结性非常差。采用T300和GF与之混杂,裁出的试样有轻微的毛边,复合材料的ILSS有大幅度的提高;采用层间混杂方式得到的复合材料ILSS比层内混杂方式的高得多。采用自制的VE树脂在相同条件下混杂得到的复合材料ILSS比E251提高25%以上,弯曲强度也有不同程度的提高。T300和GF复合材料的弯曲性能和层剪性能远远高于混杂后的性能,说明决定混杂界面性能的主要因素仍是界面最薄弱的DC88,因此,DC88的处理效果可能会对混杂后的性能产生较大的影响。表3给出了处理后DC88纤维混杂复合材料的剪切和弯曲性能。表3 处理后DC88纤维混杂复合材料的剪切和弯曲性能Table 3The mechancal properties of treated DC88 hybridcomposite序号基体共混杂纤维共混杂纤维与DC88质量比混杂方式弯曲强度/MPaILSS/MPa221E251-0-2081518222VE-0-2631712223E251T3001167层内5942510224E251T3001133层间6513116225VET3001167层内7233311226VET3001133层间7314015227E251GF1146层间6413217228VEGF1146层间6703612(在表2和表3中,当共混杂纤维是T300时含胶质量为43%,其他情况下含胶质量均为30%.)从表3看出,处理后的DC88纤维黏结性较未处理纤维提高1倍左右。处理后的DC88混杂后裁出的试样没有毛边或有轻微的毛边,但从切割面上仍能看到明显的交错分布的不同纤维界面层。处理后的DC88同样表现出层间混杂效果好于层内混杂的结果,且采用VE,选择T300和DC88混杂时,ILSS已超过40MPa。从表2来看,相505 第5期何 洋等:超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维混杂复合材料研究 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/同条件下,纯GF复合材料的黏结性优于T300的黏结性,而从表3来看,GF混杂后的黏结性略低于T300。出现上述两种情况的原因将在不同混杂方式对混杂复合材料的影响中给予分析。(2)混杂方式对混杂复合材料黏结性的影响图1是3种理想化的混杂模型示意图(图中小直径纤维代表T300或GF,大直径纤维代表DC88,模型的假设前提是两种混杂纤维是单纤级混杂)。DC88纤维直径与T300、GF纤维直径相差比较 大(DC88为35m,T300为713m,GF为815m),理想状态的层内混杂有(a)、(b)两种分布,若出现(a)则空隙比较大,在热压过程中,粗纤维受到的压力较大,周围树脂含量较少,细纤维周围较大的空隙会被更多的树脂填充,这样造成复合材料各部分受力不均,纤维与树脂在整个复合材料中的分布也不均,且如果缺胶则最终留下空隙,因此,(a)方式铺层越多,材料性能越差;(b)方式纤维和基体的分散度都非常高,得到的复合材料是层内和层间都高度有序的结构,该方式的铺层越多,材料性能越好。由于混杂实验中两种纤维不是单纤级的混杂,层内混杂出现(b)情况的概率很小,相邻两层的相同位置可能是DC88对T300、DC88对DC88、T300对T300的情况,说明层内混杂存在(a),(b)和(c)3种可能,因此混杂的分散度和有序性很差。层间混杂时,若第n层为DC88,则n+1层为T300或GF,每一层内均是同种纤维,可以保证纤维在平面方向的均匀分布,而交错铺层时,n+1层的T300或GF可以填充n层的DC88的纤维空隙,从而提高纤维和树脂的均匀分散程度和减小空隙率,且只可能出现(c)一种形式,因此复合材料的混杂分散性和有序性都很高,其性能应优于层内混杂的效果。图1 两种不同直径纤维混杂的模型示意图Fig11The hybrid models of two fibers in different diameters根据以上分析可以得到另一个结论:纤维的直径越小,混杂效果越好;对于层间混杂两种纤维的直径差异越大,则混杂的空隙率越小,而且树脂在整个复合材料中的分布越均匀,得到的复合材料的性能越好。这正好说明了GF和T300为什么在与DC88混杂前后,ILSS值呈现截然相反的结果的原因是GF的直径大于T300的直径。(3)含胶量对复合材料层间剪切强度的影响以E251和VE作为基体,T300作为处理后DC88的共混杂纤维,采用层间混杂的方式,调整复合材料的含胶质量(24%55%)得到图2。含胶量相同时,VE的ILSS高于E251,两种体系ILSS均随含胶质量的增大呈先增大后减小的规律,对于E251体系,当含胶质量在43%时,ILSS达最大值3116MPa;VE体系含胶质量在40%时有最大值4215MPa。VE树脂体系出现ILSS最大值时含胶质量低于E251体系。原因可能是VE的黏结性比E251好。图2 混杂复合材料的含胶质量对ILSS的影响Fig12The influence of resin content of the hybrid composite on itsILSS212 混杂复合材料的界面分析图3为采用E251树脂体系的DC88混杂复合材料层间剪切破坏后的SEM照片。(a)、(b)分别为从DC88处理前、后的混杂复合材料上取下的DC88纤维的形貌图;(c)、(d)分别为处理前、后的DC88层内混杂复合材料的界面形貌图;(e)、(f)分别为处理前、后的DC88层间混杂复合材料的DC88层纤维拨出后界面基体形貌图。从(a)、(b)可以看出未处理的纤维表面只有零星的树脂附着,处理后纤维表面附着了均匀的一层环氧树脂;(c)中DC88纤维显得比较凌乱,而且纤维之间有较大的空隙,看不到树脂基体,表明复合材料部分缺胶;(d)中粗纤维为处理后的DC88,细纤维为T300,T300与树脂基体形成完整的整体,界面破坏有从纤维与基体的界面开始的,也存在从基体剪断的形貌。而DC88与树脂基体之间看不到明显的空隙。(e)中DC88拔出后,形成的树脂沟槽很规则,而(f)中,DC88拔出后形成的树脂沟槽有明显的树脂撕裂痕迹。由此可见,DC88的处理效果对混杂复合材料的界面性能有较大的影响。605航 空 学 报第25卷 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图3 混杂复合材料的界面形貌Fig13The SEMof hybrid composite interface213 混杂复合材料的密度比较实验中对表2和表3的部分复合材料试样条进行密度测试,得到表4所示的结果。表4 混杂复合材料的密度Table 4Hybrid composite density序号2232242252261291210密度/(gcm-3)11211121124111711561199从表4可以看出,单一的T300和GF复合材料的密度均在1150以上,最高达1199。采用DC88和T300混杂后复合材料的密度在11121124之间,同一种混杂方式下E251作为树脂基体的复合材料密度比VE的要低01040105,原因是合成的VE树脂含有较多的含氧基团,密度较大。层内混杂的复合材料密度比层间混杂的高,主要原因是层内混杂时T300含量较高。3 结 论(1)混杂方式对混杂复合材料的ILSS值有重要的影响,层间混杂的效果比层内混杂效果要好。纤维的直径越小,两种混杂纤维的直径比越接近,则混杂效果越好。(2)含胶量对复合材料的ILSS值有重要的影响,ILSS的值随含胶量先增大后减小;不同的树脂基体存在不同的极大值,树脂与DC88的黏结性越好,出现极大值的含胶量越低。(3)合成的VE树脂体系对DC88纤维的黏结性比E251好。(4)采用DC88与T300混杂得到的复合材料可以大幅度降低复合材料的密度,对需要减重的军事装备可提供有应用前景的轻质承力结构件。参 考 文 献1 罗益锋.世界超高相对分子量聚乙烯纤维的发展概况与对策建议J.高科技纤维与应用,1999,24(5):13-19.(Luo YF.General situation of worlds ultra high molecular weightpolyethylene fiber and some suggestionsJ.Application of Hi2techFiber,1999,24(5):13-19.)2 吕生华,王结良,何洋,等.UHMWPE纤维高强度绳索的研究J.工程塑料应用,2003,31(6):33-35.(Lu S H,Wang J L,He Y,et al.The study of high strengthUHMWPE fiber J.Engineering Plastic Application,1999,24(5):13-19.)3 张佐光,仲伟虹,张大兴,等.不等径纤维混杂复合材料混杂原理J.北京航空航天大学学报,1999,25(5):499-501.(Zhang Z G,Zhong W H,Zhang D X,et al.Analysis on 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洋(1979-)男(汉族),河南南阳人,硕士毕业于西北工业大学,现在青岛海信电器股份有限公司工作。主要从事高分子材料及高性能树脂基复合材料的工程应用研究。E2mail:heyangxx ,Tel:05322601601622243,13780626382(责任编辑:蔡 斐)705 第5期何 洋等:超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维混杂复合材料研究 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/
