光固化E44/CER复配树脂基复合材料的力学性能

赵培仲，王一峰，余周辉

（海军航空大学青岛校区航空机械系，山东 青岛 266041）

脂环族环氧树脂（Cycloaliphatic Epoxy Resin，CER）的环氧基直接连接在脂环上，能形成紧密的刚性分子结构，固化后交联密度大，固化收缩率小，拉伸强度高[1～3]。同时，脂环族环氧树脂的黏度比较低，对于湿法成型复合材料来说，工艺性好。但固化物较脆，韧性差，且脂环族环氧树脂的制备工艺复杂，生产成本昂贵[4]。双酚A型环氧树脂E44则成本较低，黏度相对较高，尤其是温度较低的时候，严重影响湿铺法的工艺性。光固化和热固化相比，固化效率高，操作简单，特别适合外场条件下的快速粘接修理作业[5]。因此，本文将E44和脂环族环氧树脂进行复配作为复合材料基体，研究其光固化复合材料的力学性能，并应用到复合材料粘接修理中。

1 实验部分

1.1 实验原料及设备

T26树脂，双[（3,4-环氧环己基）甲基]己二酸酯，江苏泰州泰特尔化工有限公司；环氧树脂E44，镇江丹宝树脂有限公司；阳离子光引发剂820、二甲苯基碘鎓六氟磷酸盐，姜堰市嘉晟科技有限公司；过氧化苯甲酰（BPO），上海国药集团；SW100A-90a玻璃纤维平纹布，南京玻璃纤维研究设计院。

1 000 W高压汞灯，上海煜业电光源制造有限公司。

1.2 光固化复合材料

光固化复合材料采用湿铺法，以不同比例复配的树脂为基体，玻璃纤维平纹布为增强体，一次性铺设到6层后，置于高压汞灯下，垂直距离150 mm，辐照20 min。参考ASTMD638将固化后的复合材料试样裁成哑铃型，用于测试拉伸性能。复配树脂的组成如表1所示。

表1 复配树脂胶液的组成Tab.1 Blend resin composition

1.3 光固化粘接修理

预制损伤。2A12铝合金板材，1.5 mm厚，裁剪成50 mm宽，180 mm长，在中心钻直径10 mm的通孔模拟破孔损伤。

湿铺法粘接修理损伤铝合金板。粘接修理前对粘接区域进行溶剂清洗以及喷砂处理。复合材料补片的宽度和铝合金损伤板相同，铺设6层，每一层长均为90 mm。破孔位于补片下方中心位置。完成铺设后，紫外光辐照20 min进行固化。

1.4 拉伸性能测试

光固化复合材料补片以及粘接修理试样均采用济南泰思特公司WDW-1型电子万能拉力机在室温下测试试样拉伸性能。室温下测试，拉伸速率5 mm/min。每组5个试样，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 光固化复合材料补片

由于E44的黏度较大，所以随其质量分数的增大，复配树脂的黏度逐渐增大。这样在复合材料的湿铺阶段工艺性会随之变差。当E44质量分数超过15%后，工艺性明显变差，容易导致树脂的用量增大，试样厚度较大。

光固化树脂的固化厚度通常都比较小，加入增强体后，紫外光的衰减加剧，固化厚度更加有限。本文采用阳离子固化机理，对单纯的T26树脂体系而言，具有自蔓延特性，这样就较好地解决了固化厚度受限的问题[6]。但是，E44树脂的自蔓延特性较差，基本不能实现自蔓延固化。因此，在进行光固化时，随着E44含量的增加，复合材料的整体固化程度也可能随之变化。实验发现，当E44的质量分数达到30%时，固化程度明显降低，超过50%后，底层稍微发黏，出现试样底部不完全固化的现象。试样的拉伸测试的断裂破坏模式也说明了这一点，在E44含量较低的时候，脆性断裂，断口比较齐整（图1，b）。当E44含量较高时，断口处有纤维丝连（图1，a）。

图1 拉伸断裂模式Fig.1 Tensile fracture mode

图2 是光固化复合材料补片力学性能随着E44含量的变化曲线。

图2 复合材料补片拉伸性能随E44质量分数的变化Fig.2 Tensile properties of composite patches with different E44 weight percentage

显然，随着E44含量的增大，复合材料的拉伸强度逐渐降低。而且，当E44质量分数超过20%时，拉伸强度下降更快。脂环族环氧树脂固化交联密度大，随着E44含量的增加，复配树脂基体的固化交联密度下降，使得固化后复合材料的拉伸强度降低。当E44质量分数超过20%后，固化交联密度的下降更加明显，进一步导致复合材料补片的拉伸强度下降，由于复合材料补片中纤维是主要的承载部分，因此拉伸模量变化并不大。

2.2 光固化复合材料粘接修理

光固化复合材料粘接修理可以快速完成损伤结构的修理，在应急抢修中具有很好的应用前景。本次实验中，补片尺寸为50 mm×90 mm，铺设6层相同尺寸，一次性完成铺设后，紫外光辐照20 min固化。拉伸性能测试表明，随着复合材料补片复配树脂基体中E44含量的增加，粘接修理结构试样的拉伸强度并不像单纯的复合材料补片那样逐渐下降。如图3和表2所示。

图3 粘接修理结构试样的拉伸强度随E44用量的变化Fig.3 Tensile strength of adhesively bonded repair structure specimens with different E44 weight percentage

其中拉伸强度是名义拉伸强度。以铝合金厚度加上复合材料补片厚度和铝合金宽度减去破孔直径后的乘积作为截面积，再依据破坏载荷得到名义拉伸强度。如图3所示，其中E44质量分数在0～15%时，试样的拉伸强度基本保持不变。随着E44含量的增加基体固化后交联密度下降，基体的强度下降，但是其变形协调能力增强。载荷通过胶层（胶层也是复配树脂）传递到复合材料补片，分担结构的载荷。在复合材料补片中，纤维承担大部分载荷，由于基体强度远低于纤维的强度，所以受力后首先在基体中产生裂纹，并在裂尖产生应力集中。裂尖的曲率半径越小，应力集中越大。当应力集中大于基体强度时，裂纹就会扩展，直至材料断裂。如果基体变形能力增大，会使裂尖曲率半径变大，应力集中会大幅度下降。当应力集中低于基体的强度时，裂纹停止扩展。同时，由于复合材料有纤维增强体，当树脂出现微裂纹延伸到纤维处时，因纤维的阻碍限制了微裂纹的进一步扩展。此时必须增加作用应力材料才会破坏，表现为材料强度提高了，从而起到较好的修理效果。如果基体材料过于刚硬，变形协调能力较差，反而容易导致粘接修理失效。2种因素共同作用的结果是，具有适当的补片强度和基体的变形协调能力是最佳修复效果。根据实验结果，可以选择E44质量分数10%的共混树脂作为复合材料树脂基体。此时，既可降低成本，而且还具有较好的力学性能。

表2 粘接修理结构试样的力学性能Tab.2 Mechanical properties of adhesively bonded repair structures specimens

3 结论

通过复配的方式，将脂环族环氧树脂和E44环氧树脂进行复配，并以此为基体制备了复合材料补片。拉伸性能测试表明，E44质量分数的增加，会导致复合材料拉伸强度的逐渐下降。但是，在E44质量分数5%以内，变化并不大。当E44质量分数在10%～20%时，有明显下降，但是，此时复合材料基体具有较高的固化交联密度和力学性能。进一步增加E44含量，会导致固化交联密度的降低，当E44质量分数超过50%，复合材料补片将不能完全固化。将光固化复合材料应用到铝合金损伤结构的粘接修理，实验发现，尽管随着E44含量的增加，复合材料补片拉伸强度下降，但是，粘接修理后的结构试样性能并没有随之下降。而是在E44质量分数为10%时，出现了最佳的修复效率。

[1]余周辉,赵培仲,胡芳友.光固化ES/CEP共混物及其复合材料力学性能研究[J].玻璃钢/复合材料,2017,44(4):60-65.

[2]张琳.脂环族环氧树脂的热阳离子聚合反应研究[D].大连:大连理工大学,2016.

[3]彭静.环氧树脂光—热双重固化体系的设计与研究[D].北京:北京化工大学,2016.

[4]何少波,陈允,崔博源,等.双酚A环氧树脂/脂环族环氧树脂的共混改性研究[J].绝缘材料,2016,49(3):11-15.

[5]戴京涛,黄旭仁,李艳丽,等.UV固化复合材料快速修复金属损伤结构[J].粘接,2012,33(5):75-77.

[6]赵培仲,魏华凯,黄旭仁,等.光固化碳纤维布/CEPES复合材料粘接修理金属损伤结构[J].玻璃钢/复合材料,2015,42(6):88-92.