工艺方法和试验环境对EP／GF层合板力学性能影响

高琦，赵文忠，张晨晖，李建伟

(中国电子科技集团公司第二十研究所,西安 710068)

环氧树脂(EP)是一种性能优异的热固性树脂,具有较好的力学性能、工艺灵活性、可加工性、耐腐蚀性等,已广泛应用于制作复合材料、结构材料等[1–2]。但其固化过程中易产生裂纹,且耐冲击性能较低,韧性不足等缺点使其应用受到极大的限制。通过填加不同的增强材料对EP进行增韧改性,制成复合材料,可有效提升其力学性能。玻璃纤维(GF)具有拉伸强度高、耐腐蚀性好等特点,GF增强EP (EP／GF)复合材料是以EP为基体和GF为增强体组成的一类树脂基复合材料,因具有低密度、高强度、良好的电绝缘性和耐腐蚀性能而广泛应用于航空航天、雷达天线罩、飞机制造等领域[3–5]。

为了进一步提高树脂基复合材料的力学性能,诸多学者开展了相关研究,如张硕等[6–8]对EP／GF复合材料的力学性能进行了详细研究；吴海亮[9]则对EP含量对EP／GF复合材料力学性能的影响开展了论证分析；左祺等[10–12]针对复合材料制件的结构特殊性,从多角度讨论分析了纤维铺层方式对树脂基复合材料力学性能的影响；N. B. V. L. Kumari等[13–14]对树脂基复合材料的环境适应性开展了相关研究,冯振宇等[15–17]在研究温度、湿度对复合材料力学性能影响的背景下,重点分析了湿热环境下树脂基复合材料力学性能降低的原因。

复合材料层合板是由多层预浸料铺贴压制而成,是复合材料制件的主要形式之一,其力学性能受预浸料铺覆层数、铺层角度、成型工艺等因素的影响,通过调整预浸料树脂含量、铺层参数及热压罐固化工艺等可实现复合材料层合板的可设计性。面对新一代雷达天线对树脂基复合材料高强度、耐冲击、高承载性及环境适应性强的迫切需求,笔者对新研制的国产高精度、高强EP／GF层合板的拉伸、压缩、层间剪切等力学性能进行了研究,分析了预浸料的铺层方式及树脂含量对EP／GF层合板力学性能的影响,讨论了温、湿度等环境条件对复合材料力学性能的影响,特别是湿热状态下复合材料力学性能下降明显的原因,为其应用于新一代雷达天线提供数据支撑。

1 实验部分

1.1 主要原料

GF薄层中温固化预浸料：EP含量分别为33%,38%,中国航空制造技术研究院。

1.2 主要仪器与设备

热压罐：J10–019型,西安江河机器制造有限公司；

电子拉力试验机：EMT305D型,深圳万测仪器设备有限公司；

引伸计：ZYS–2型,西安世纪测控技术研究所；

高低温试验箱：SANS GDX300型,深圳新三思计量技术有限公司；

恒温恒湿试验箱：HY–TH–225BH型,东莞市泓进检测仪器有限公司；

电阻应变计：TST120型,江苏泰斯特电子设备制造有限公司。

1.3 EP／GF层合板的制备

使用下料工装分别裁剪 0°,+45°,–45°,90°的EP薄层中温固化预浸料,按设计要求将裁剪好的预浸料按照相应的顺序铺贴。用酒精清理平板模具,然后用棉纱沾700NC脱模剂在平板模具表面均匀涂抹2遍,每遍之间间隔15 min,晾干后在金属平板模具上进行预浸料的固化,工艺组合为模具／预浸料毛坯／隔离膜／透气毡／真空袋,真空袋四周用耐高温胶条进行密封,室温下抽真空至–95 kPa以下,随后在热压罐中进行加压升温固化。热压罐固化工艺的升温速率、固化温度、固化压力、加压时间等因素决定了层合板的固化质量,根据EP／GF复合材料的特点,试验的固化工艺为：室温下抽真空至–0.095 MPa以下,模具温度升至30℃,罐内压力加压至(0.40±0.02) MPa,以2.5℃／min的升温速度加热升温,当模具温度升至130℃后,保温保压(180±10) min,带压冷却至模具温度为60℃以下,卸压出罐。根据试验要求,共制作3块EP／GF层合板：

(1)层合板1。

使用EP含量为38%的GF薄层中温固化预浸料,共铺 20 层,铺层顺序及角度为 [0°／+45°／–45°／90°]5。

(2)层合板2。

使用EP含量为33%的GF薄层中温固化预浸料,共铺 20 层,铺层顺序及角度为 [0°／+45°／–45°／90°]5。

(3)层合板3。

使用EP含量为33%的GF薄层中温固化预浸料,共铺 20层,铺层顺序及角度为 [0°／90°／0°／+45°／–45°／90°／0°／+45°／–45°／90°]1s。

1.4 试样处理

根据相应测试标准规定,采用数控铣的方法将层合板加工成标准测试尺寸,并按照下列要求将测试试样做相应的前处理：

高温湿态(ETW)试样均按照HB 7401–1996的规定,在恒温恒湿试验箱中于温度(70±3)℃、相对湿度(95±5)%条件下湿热处理至吸湿饱和(质量至恒定值)；

–50℃低温干态(CTD)试样的处理在高低温试验箱 (–70～350℃)中保温5～8 min进行,采用液氮进行降温,并采用高精度控温器进行控温；

80℃高温干态(ETD)试样的处理在高低温试验箱 (–70～350℃)中保温 5～8 min进行,采用电阻丝加热,并采用高精度控温器进行控温；

室温干态(RTD)试样的处理在空气中进行,采用空调对室内温度进行控制。

1.5 性能测试

拉伸强度按照GB／T 1447–2005测试,试验加载速率为2.0 mm／min,有效测试试样不少于5个,测试结果取平均值；

面内压缩性能按照GB／T 5258–2008测试,试验加载速率为1.3 mm／min,有效测试试样不少于5个,测试结果取平均值；

层间剪切性能按照JC／T 773–2010测试,试验加载速率为1.0 mm／min,有效测试试样不少于5个,测试结果取平均值。

2 结果与讨论

2.1 EP含量对EP／GF层合板力学性能的影响

固定热压罐固化温度、固化压力和固化时间,采用不同EP含量的复合材料预浸料制得的EP／GF层合板力学性能见表1。

表1 不同EP含量的EP／GF层合板的力学性能 MPa

由表1可以看出,EP含量为38%的层合板1的拉伸强度平均值、面内压缩强度平均值、层间剪切强度平均值分别为485.42,298.46,62.19 MPa；EP含量为33%的层合板2的拉伸强度平均值、面内压缩强度平均值、层间剪切强度平均值分别为523.87,331.74,70.03 MPa,层合板2的三项力学性能均高于层合板1,后者较前者分别提升7.9%,11.2%和12.6%。表明EP含量对EP／GF层合板的力学性能有明显影响。EP／GF层合板的界面层主要有GF层和EP层,EP和GF的界面通过化学基团的相互作用及凹凸部位的机械结合作用来提高粘接强度。在预浸料面重确定的情况下,当EP含量过高时,导致GF含量低,界面面积减少,增强效果减弱,材料力学性能降低。理论上GF含量越高,复合材料的强度越大,但EP含量过低时,EP无法完全浸润GF,导致GF贫胶且粘接不牢,致使复合材料的力学性能降低。对于平纹织物复合材料,层与层间无GF连接,当EP含量过低时,容易发生层间破坏；当EP含量过高时,导致GF体积含量低,界面面积减小,复合材料在受到外部载荷作用时发生EP基体的破坏[9],GF的增强效果无法体现,致使复合材料层合板的力学性能降低。因此,通过控制预浸料的EP含量,可有效地提升复合材料层合板的综合力学性能。

2.2 铺层参数对EP／GF层合板力学性能的影响

使用EP含量为33%的GF薄层中温固化预浸料,固定热压罐的固化温度、固化压力和固化时间,采用不同铺层参数制备的EP／GF层合板的力学性能见表2。

表2 不同铺层参数的EP／GF层合板的力学性能 MPa

由表 2 可以看出,采用 [0°／+45°／–45°／90°]5铺层参数的层合板2的拉伸强度平均值、面内压缩强度平均值、层间剪切强度平均值分别为523.87,331.74,70.03 MPa,采用 [0°／90°／0°／+45°／–45°／90°／0°／+45°／–45°／90°]1s铺层参数的层合板 3的拉伸强度平均值、面内压缩强度平均值、层间剪切强度平均值分别为614.22,413.24,64.04 MPa。相比采用[0°／+45°／–45°／90°]5铺层参数的层合板2,采用对称铺层的 [0°／90°／0°／+45°／–45°／90°／0°／+45°／–45°／90°]1s铺层参数的层合板 3 的拉伸强度、面内压缩强度均显著提升,分别提升17.2%和24.6%,而层间剪切强度则降低8.6%。层合板在受到外力作用时,拉伸和面内压缩的载荷主要由0°,90°方向的纤维承担,因此层合板3通过增加0°,90°的纤维铺层,实现了拉伸强度及面内压缩强度的提升；复合材料层合板抵抗层间应力的能力较差,在外部集中载荷作用下,易发生层间分层；在层合板 0°,+45°,–45°,90°的 GF 各向分布均匀的情况下,EP基体可以把外部集中载荷作用传递给各向GF,GF把集中载荷传递到层合板各个部位,分散外部集中载荷,能够有效阻止分层扩展,使层合板具有更优异的稳定性及更高的层间剪切强度。层合板2的GF各向分布均匀,使之具有更高的层间剪切强度。

2.3 环境试验条件对EP／GF层合板拉伸性能的影响

层合板3在室温干态、–50℃低温干态、80℃高温干态、高温湿态四种不同环境条件下的拉伸强度和拉伸弹性模量如图1所示。

图1 不同环境试验条件下层合板3的拉伸性能

由图1可知,在–50℃低温干态下,层合板3的拉伸强度高于室温干态下的拉伸强度；在80℃高温干态下,层合板3的拉伸强度较室温干态的拉伸强度下降9.2%；经高温湿态处理后,层合板3的拉伸强度相比较室温干态条件下降46%。这是由于在–50℃低温干态下EP和GF的结合度提升,GF间载荷传递能力增强,导致层合板3的拉伸强度升高；80℃高温干态降低了EP基体的强度,使EP基体传递应力的能力下降,导致复合材料层合板3的拉伸强度下降；高温湿态处理使部分水分子在EP基体内渗透和扩散,水分子容易与GF表面的大量的硅羟基等结合,一定程度破坏了GF与EP基体的界面,同时水分的塑化作用也可能降低了EP的强度,从而使EP基体传递应力的能力降低,导致层合板3的承载能力显著下降,说明复合材料拉伸强度对湿热环境更加敏感[18]。拉伸弹性模量反映了复合材料在初始载荷作用下的抗变形能力,其对温度的依赖性与拉伸强度类似。这反映出随着EP及GF在低温条件下分子链无序运动能力降低到高温条件下热运动速率提升,材料的拉伸弹性模量由高到低的下降过程,特别是EP基体热性能和力学性能等对环境温、湿度的依赖性,导致复合材料层合板的拉伸性能对环境温度、湿度的敏感性。此外,拉伸强度和拉伸弹性模量的离散系数均小于10%,说明复合材料层合板的拉伸性能具有良好的稳定性。

2.4 环境试验条件对EP／GF层合板面内压缩性能的影响

面内压缩性能试验主要考察复合材料层合板在压缩载荷作用下的承载能力。层合板3在室温干态、–50℃低温干态、80℃高温干态、高温湿态四种不同环境条件下的面内压缩强度和面内压缩弹性模量如图2所示。

图2 不同环境试验条件下层合板3的面内压缩性能

由图2可看出,相较于室温干态,–50℃低温干态条件下的面内压缩强度无明显变化,80℃高温干态条件下的面内压缩强度下降24.7%,高温湿态条件下的面内压缩强度下降33.8%。有研究表明[14]基体对纤维的束缚作用赋予复合材料较高的压缩性能,树脂基体的强度及基体与纤维间界面粘接强度对整体压缩性能的影响显著。80℃高温干态条件下层合板的面内压缩强度下降显著是因为高温环境降低了EP基体的强度,使EP基体对GF的束缚能力和传递应力的能力下降,导致EP／GF层合板的压缩强度下降；此外,湿热处理一定程度上破坏了EP与GF之间的界面,同时水分子对EP基体的塑化作用降低了EP的强度,从而降低了EP基体对GF的束缚和传递应力的作用,导致层合板的承压能力下降[19]。面内压缩弹性模量主要考察复合材料在初始压缩载荷作用下的抗压缩变形的能力,试验数据表明压缩弹性模量受温度和湿度影响不明显。此外,面内压缩强度和面内压缩弹性模量的离散系数均小于10%,说明复合材料层合板的面内压缩性能具有良好的稳定性。

2.5 环境试验条件对EP／GF层合板层间剪切性能的影响

层间剪切性能试验主要评估复合材料层合板在弯曲载荷作用下面间的剪切性能。层合板在室温干态、–50℃低温干态、80℃高温干态、高温湿态四种不同环境条件下的层间剪切强度如图3所示。

图3 不同环境试验条件下的层间剪切性能

由图3可看出,相较于室温干态,–50℃低温干态条件下的层间剪切强度提高23.1%,原因是高分子聚合物在低温环境作用下,EP基体收缩,分子间距变小[20],表现为EP基体强度增加,致使EP／GF层合板3的层间剪切强度提升；80℃高温干态条件下的层间剪切强度下降28.3%；高温湿态条件下的层间剪切强度下降36.1%,因为材料表面的吸湿水量在很大程度上决定了复合材料的层间剪切性能,复合材料界面受吸湿水影响较大,水分子进入EP基体后通过溶胀作用使基体发生增塑,为链段运动提供了所需的自由体积,使EP性能降低。EP吸湿后会发生膨胀,使得EP／GF界面上产生剪切湿应力,使得界面性能下降,最终导致层合板的层间剪切强度下降明显。

3 结论

针对新研制的国产GF增强EP复合材料进行了力学性能试验,深入研究了EP含量、铺层参数以及试验环境对复合材料层合板力学性能的影响,得到如下结论：

(1)在铺层参数相同的情况下,相较于层合板1,层合板2通过降低EP含量使其拉伸强度、面内压缩强度和层间剪切强度分别提升7.9%,11.2%和12.6%,表明EP含量对复合材料层合板力学性能的影响明显,控制预浸料的EP含量是提升复合材料层合板力学性能的重要手段。

(2)在预浸料EP含量相同的情况下,层合板3通过增加0°,90°的GF铺层使拉伸强度及面内压缩强度分别提升17.2%和24.6%,层间剪切强度下降8.6%；层合板2各向GF分布均匀,EP基体可以把外部集中载荷作用传递给各向GF,分散外部集中载荷,能够有效阻止分层扩展,使层合板具有更优异的稳定性及更高的层间剪切强度。

(3)在室温干态、–50℃低温干态、80℃高温干态和高温湿态四种环境测试条件下,对复合材料层合板的力学性能进行测试,结果表明,层合板3的力学性能受温度、湿度影响较大,在高温湿态条件下,层合板的拉伸强度、面内压缩强度、层间剪切强度分别下降46%,33.8%和36.1%。