完整版玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備

1、綜合實驗研究玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備院 系：航空航天工程學(xué)部專 業(yè)：高分子材料與工程專業(yè)指導(dǎo)教師：于祺學(xué)生姓名：王娜目錄第1章概述1.1 玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀1.2 本次試驗的目的及方法第2章手糊法制備玻纖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料2.1 實驗原料2.1.1 環(huán)氧樹脂2.1.2 玻璃纖維2.1.3 咪唾固化劑2.1.4 活性稀釋劑2.2 手糊成型簡介2.4 實驗局部2.4.1 實驗儀器2.4.2 實驗步驟第3章力學(xué)性能測試3.1 剪切強度3.2 彎曲強度3.3 實驗數(shù)據(jù)的分析3.3.1 浸膠的用量及均勻度3.3.2 固化時間與溫度的影響3.3.3 活性稀釋劑的用量第4章

2、結(jié)論與展望4.1 結(jié)論與展望參考文獻(xiàn)第1章概述1.1 玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)材的研究現(xiàn)狀EP/玻璃纖維GF復(fù)合材料是目前研究比較成熟、應(yīng)用最廣的一種復(fù)合材料. EP/GF復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強度高、模量大、耐腐蝕性好、電性能優(yōu)異、原料 來源廣泛、工藝性好、加工成型簡便、生產(chǎn)效率高等特點,并具有材料可設(shè)計性及特殊的功能性如屏蔽電磁波、消音等特點,現(xiàn)已成為國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)和科 技開展中無法代替的重要材料.且復(fù)合材料的研究水平已成為一個國家或地區(qū)科 技經(jīng)濟(jì)水平的標(biāo)準(zhǔn)之一.目前美,日,西歐的水平較高,北美,歐洲,日本的產(chǎn) 量分別占33% 32% 30%毋庸置疑,EP/玻璃纖維GF復(fù)合材料的質(zhì)量輕,高

3、 強度等優(yōu)于金屬的特性,會在某些領(lǐng)域更廣泛的使用,目前復(fù)材的粘接性能與力 學(xué)性能成為主要的研究方面.目前主要的成型方法有手糊成型, 纏繞成型,熱壓 管成型,RThM型,拉擠成型.1.2 本次試驗的目的及方法實驗由學(xué)生自行設(shè)計采用一種固化體系,用手糊成型方法制備EP/玻璃纖維GF復(fù)合材料,再測量材料的力學(xué)性能如,彎曲,剪切.目的在于1, 了解材料科學(xué)實驗所涉及到的設(shè)備的根本使用.2,掌握環(huán)氧樹脂固化體系的配置及設(shè)計.3,對手糊成型操作了解,及查找文獻(xiàn)完成論文的水平.就此要求我們第2組采用環(huán)氧樹脂E-44, 20cmQ0cm的玻璃纖維布15張,用咪 哇固化劑并參加稀釋劑預(yù)防體系過粘.通過查閱相關(guān)文

4、獻(xiàn),確定咪哇固化環(huán)氧樹 脂的最正確固化條件：60C/2h+80 c/2h ,制備了玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料, 之后將制備的樣品進(jìn)行力學(xué)性能測試,具層間剪切強度為5.750Mpa,彎曲強度為 127.64Mpa.第2章手糊法制備玻纖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料2.1 實驗原料2.1.1 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂是含有兩個或兩個以上的環(huán)氧基,并在適當(dāng)?shù)脑噭┑淖饔孟履軌蚪宦?lián)成 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一類聚合物.它是一類具有良好粘接、耐腐蝕、電氣絕緣、高強度等 性能的熱固性高分子合成材料.其中,雙酚A縮水甘油醴型環(huán)氧樹脂的原材料來 源方便、本錢低,所以在環(huán)氧樹脂中它的應(yīng)用最廣,產(chǎn)量最大,約占環(huán)氧樹脂總 量的85犯上網(wǎng).其化學(xué)結(jié)

5、構(gòu)如下：CH3OHCH3CH3從環(huán)氧樹脂本身的結(jié)構(gòu)分析,其主要特點如下：(1)良好的加工性 未固化的環(huán)氧樹脂本身分子間的內(nèi)聚力小,分子有擴(kuò) 展的傾向,故樹脂的流動性好,且易于和固化劑及其他材料如填充劑等混合,因 此有良好的加工性.(2)粘著性強 由于樹脂中的脂肪族羥基、醴鍵和環(huán)氧基的存在,這些極 性基能與含有金屬、硅酸鹽、活潑氫的材料外表產(chǎn)生較強的分子間作用力或發(fā)生 反響產(chǎn)生化學(xué)鍵,因此環(huán)氧樹脂的粘著性很強,有萬能膠之稱.(3)可低壓成型且收縮率小環(huán)氧樹脂通常在固化時沒有低分子副產(chǎn)物產(chǎn) 生,所以不會產(chǎn)生氣泡,可以低壓成型,而且收縮率小,它的熱膨脹系數(shù)也很小 (一般為6.0 X 10-5 *C-

6、1),環(huán)氧樹脂是熱固性樹脂中收縮率最小的一種, 在100c 固化時收縮率為0.5%,在200c固化時為2.3%.(4)化學(xué)穩(wěn)定性好 環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中無酚性羥基,又無酯鍵,所以其 耐堿性比酚醛樹脂和聚酯樹脂要好,止匕外,在固化后的體形結(jié)構(gòu)中有穩(wěn)定的苯環(huán) 和醴鍵,故耐酸性、耐溶劑性以及耐水性也很好,在室溫下吸水率在0.5%以下.5有較好的力學(xué)性能 環(huán)氧樹脂固化以后,在交聯(lián)點間有一定的距離, 中間鏈除含苯環(huán)外還有兩個醴鍵, 具有一定的活動性,因而脆性較小,根本屬于 硬而強韌性的材料,所以具有較高的機(jī)械強度.另外與酚醛樹脂、聚酯樹脂比較, 環(huán)氧樹脂也具有較好的介電性能.2.1.2玻璃纖維布玻璃纖維英

7、文原名為：glass fiber 或巾berglass是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料,種類繁多,優(yōu)點是絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好,機(jī)械強度高, 但缺點是性脆,耐磨性較差.玻璃纖維布是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔 制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的,具單絲的直徑為幾個微米到二十幾米個 微米,相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的1/20-1/5,每束纖維原絲都由數(shù)百根甚至上千根單絲組成.我國生產(chǎn)的玻璃布,分為無堿和中堿兩類,國外大多數(shù)是E-GLASS6堿 玻璃布.玻璃布主要用于生產(chǎn)各種電絕緣層壓板、印刷線路板、各種車輛車體、 貯罐、船艇、模具等.中堿玻璃布主要用于生產(chǎn)涂塑包裝布,以及用于耐腐蝕場 合.織物的

8、特性由纖維性能、經(jīng)緯密度、紗線結(jié)構(gòu)和織紋所決定.經(jīng)緯密度又由 紗結(jié)構(gòu)和織紋決定.經(jīng)緯密加上紗結(jié)構(gòu),就決定了織物的物理性質(zhì),如重量、厚 度和斷裂強度等.有五種根本的織紋：平紋 plan類似方格布、斜紋twill 一 股+-45度、緞紋statin類似單向布、羅紋leno玻璃纖維網(wǎng)格布主要織法 和席紋matts類似牛津布.其分類：1、按成分：主要是中堿、無堿、高堿是對玻璃纖維中堿金屬氧化物的成分進(jìn) 行分類,當(dāng)然也還有由其它成分進(jìn)行的分類,但品種太多,不一一列舉2、按制造工藝：培竭拉絲和池窯拉絲.3、按品種：有合股紗、直接紗、噴射紗等.另外,就是按單纖維直徑、TEX數(shù)、捻度、浸潤劑類型進(jìn)行區(qū)分.玻璃

9、纖維布的分類與纖維紗的分類是相通的,除了上述以外,還包括：織法、克 重、幅度等.2.1.3咪唾固化劑常用的咪哇類環(huán)氧樹脂固化劑包括咪唾,2-甲基咪坐,2-乙基-4-甲基咪坐,2- 苯基咪陛等,與一般的環(huán)氧樹脂固化劑相比,它具有以下幾個方面的優(yōu)點：(1) 用量少(一般為樹脂用量的0. 5%10% ),揮發(fā)性低,毒性小.(2) 固化活性較高,中溫條件下短時間即可固化.(3) 固化物熱變形溫度高,有優(yōu)異的耐化學(xué)介質(zhì)性能、電絕緣性水平學(xué)性能.(4) 除用作主固化劑外,還可作為助固化劑和固化促進(jìn)劑,能夠明顯改善環(huán)氧樹脂固化體系的性能.咪哇類環(huán)氧樹脂固化劑除上述優(yōu)點外,還存在一些缺點和問題,具體表現(xiàn)在：(

10、1) 咪唾類化合物多為高熔點的結(jié)晶固體粉末,與液態(tài)的環(huán)氧樹脂混合困難,工藝性能較差.(2) 咪睡類固化劑在高溫下有一定的揮發(fā)性和吸濕性.(3) 品種較少,不能滿足特殊的施工工藝以及對固化物的某些特定要求.(4) 常用咪哇類固化劑由于固化活性較高,因此與環(huán)氧樹脂混合后適用期較短,不能作為單組分體系較長時間貯存.咪唾類的固化機(jī)理：咪唾類固化劑分子中存在1位仲胺氮原子和3位叔胺氮原子 它對環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化反響時一般認(rèn)為咪唾環(huán)上的3位氮原子首先使環(huán)氧樹脂上的環(huán)氧基開環(huán),當(dāng)1位氮原子上存在氫原子時,發(fā)生氫原子轉(zhuǎn)移,然后1位氮 原子在與環(huán)氧樹脂反響,形成1:2加成產(chǎn)物；當(dāng)1位氮原子上存在取代基時1 位氮原

11、子不與環(huán)氧樹脂發(fā)生開環(huán)反響僅 3位氮原子使環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧基開環(huán) 形成1: 1產(chǎn)物.最后環(huán)氧基開環(huán)產(chǎn)生的氧負(fù)離子繼續(xù)催化環(huán)氧樹脂開環(huán)聚合.2.1.4活性稀釋劑活性稀釋劑按其每個分子所含反響性基團(tuán)的多少,可以分為單官能團(tuán)活性稀釋劑和多官能團(tuán)活性稀釋劑.單官能團(tuán)活性稀釋劑每個分子中僅含一個可參與固化反響的基團(tuán),如甲基丙烯酸-伊羥乙酯HEMA.多官能團(tuán)活性稀釋劑是指每個分子中含有兩個或兩個以上可參與固化 反響基團(tuán)的活性稀釋劑,如 1,6-己二醇二丙烯酸酯HDDA.采用含較多官能團(tuán)的單體,除 了增加反響活性外,還能賦予固化膜交聯(lián)結(jié)構(gòu).這是由于,單官能團(tuán)單體聚合后只能得到線形聚合物,而多 官能團(tuán)的單體可

12、得到高交聯(lián)度網(wǎng)絡(luò).2.2手糊成型簡介手糊成型是指用手工或在機(jī)械輔助下將增強材料和熱固性樹脂鋪覆在模具上,使樹脂固化后形成復(fù)合材料的一種成型方法.手糊成型工藝包括7:一原材料的準(zhǔn)備：1玻璃纖維織物的準(zhǔn)備本卷須知：1 玻璃布的經(jīng)緯向強度不同,對要求正交各項同性的制品,那么應(yīng)將玻璃布經(jīng)緯向交替鋪覆.2 裁剪玻璃布的大小,應(yīng)根據(jù)制品尺寸、性能要求和操作難易來確定.玻 璃布越大制品強度越高,因此裁剪玻璃布時應(yīng)盡可能裁剪得大些.2樹脂膠液的配制 是將樹脂、固化劑或引發(fā)劑、促進(jìn)劑、填料和助劑等 混合均勻,常溫固化的樹脂具有很短的適用期, 必須在凝膠以前用完.樹脂膠液 配制的關(guān)鍵是凝膠時間和固化程度的限制.凝

13、膠時間是指在一定溫度下樹脂、引 發(fā)劑、促進(jìn)劑混合以后到凝膠所需要的時間. 手糊成型工藝要求樹脂在成型操作 完成以后的一段時間內(nèi)凝膠,使樹脂能充分浸透增強材料.二模具的準(zhǔn)備及脫模劑的涂刷1模具的準(zhǔn)備玻璃鋼模具的準(zhǔn)備方法如下：2新模具要對照圖樣組裝,核對模具的形狀、尺寸及脫模斜度.3如果是使用過的模具,那么要檢查模具的破損情況,如有破損要進(jìn)行修補,如果發(fā)現(xiàn)模具外表粗糙,那么應(yīng)按以下順序仔細(xì)地加以修整：用從粗到細(xì)的水砂 紙加水打磨；用拋光膏或拋光水拋光；上拋光蠟.3保管模具時要蓋好聚乙烯薄膜,預(yù)防粉塵、油污、水汽等粘附模具.2涂刷脫模劑 石蠟類脫模劑的涂刷方法如下：消除模具外表的水分、 灰塵、污垢,

14、充分枯燥模具；將石蠟脫模劑在模具外表按一定方向、一定順序 輕輕地擦拭,模具的凸部、棱角要特別注意涂均勻；待枯燥后用軟布擦亮； 大局部石蠟類脫模劑都含有揮發(fā)性物質(zhì), 所以重復(fù)涂刷時,中間應(yīng)有一定的時間 間隔,待上次所涂刷涂膜劑中的揮發(fā)物完全揮發(fā)掉再涂下一次.三膠衣層的準(zhǔn)備為了改善樹脂固化中收縮帶來的外表質(zhì)量問題,并延長其使用壽命, 在制品外表往往做一層樹脂含量較高、 性能較好的層面,它可以是純樹脂層,也 可用外表氈增強,通常稱為膠衣層.其厚度一般約為0.25-0.5 mm,根據(jù)不同的性能要求,選用不同的膠衣樹脂.四復(fù)合材料制品的糊制及固化五脫模、修整及裝配2.4實驗局部2.4.1 實驗儀器設(shè)備表

15、2-2實驗用主要儀器設(shè)備設(shè)備名稱型號生產(chǎn)單位電子精密天平 1JM-BL-1003余姚市紀(jì)銘稱重校驗設(shè)備電熱鼓風(fēng)枯燥箱DHG-9075A上海-恒科學(xué)儀器微電子拉力機(jī)RG30502.4.2 實驗原料及步驟原料：根據(jù)上述原料的性質(zhì)及實驗要求我們?nèi)…h(huán)氧樹脂 E-44 100g,活性稀釋劑 30g,咪唾類固化劑用量0.3%取3.9g o 20cm20cm的玻璃纖維布15張.固化條 件：60 C/2h+80 C/2h.實驗步驟:(1)實驗前的準(zhǔn)備將實驗中所需的材料放在實驗臺上,將模具與樹脂的接觸面用脫模劑涂上薄薄的一層,用剪子根據(jù)模具的尺寸剪出15塊20cmM0cm玻璃纖維布,待用. (2)樣品的稱量將塑

16、料杯放在精密天平上去皮后倒入 E-44環(huán)氧樹脂稱取100g,將稱取 好的環(huán)氧樹脂杯去皮后再稱取30g稀釋劑,將稱好的體系再去皮后稱3.9g咪吵. (3)攪拌將稱好的固化環(huán)氧樹脂體系用玻璃棒攪拌,直至藥品均勻,充分混合為 止.(4)糊制及固化將裁剪好的一片玻璃纖維布放在脫模布上,用刷子蘸取攪拌后的適量的 環(huán)氧樹脂放在纖維布上,用刷子或硬紙板將樹脂與纖維充分浸膠, 涂抹均勻后再 放一層纖維布,重復(fù)操作,直到鋪完 15層纖維布.將另一塊脫模布放在上面, 最后將其放在模具上,并在模具上放一塊板將其壓實,放在烘箱中固化.先將溫 度調(diào)為60c固化2h,再將溫度調(diào)為80c固化2h.(5)脫模及修整將固化好的

17、制品從烘箱中取出,將制品從模具總?cè)∠聛?對制品進(jìn)行裁 剪、打磨、修整,得到接近目標(biāo)尺寸 b10mm,h3mm,L80mm的彎曲樣條3根. b6mm,h3mm,L40mm 剪切樣條 6 根.第3章力學(xué)性能測試3.1 剪切強度我們將6根試樣分別進(jìn)行測試,根據(jù)剪切強度公式得數(shù)據(jù)如下:V 4bh其中短梁層間減切強度,MPa;P試樣破壞日N的最大載荷,N ;b試樣寬度, mm;h試樣厚度, mm;試樣平土勻?qū)挾萣(mm)試樣平土高度h(mm)試樣所能承受的最大力p (N)剪切強度工(MPa)平均剪切強度七(MPa)16.002.92142.26.125.7525.702.86137.66.2436.00

18、2.95128.355.5346.002.98131.85.6856.132.98124.95.0965.573.00125.455.823.2 彎曲強度我們將3根彎曲樣條分別進(jìn)行測試,根據(jù)彎曲強度計算公式得以下數(shù)據(jù):3pL二二-42bh二彎曲強度,MPa;P最大載荷,N;L跨距, mm;L=16hb試樣寬度,mm;h試樣厚度,mm;試樣寬度b(mm)試樣厚度h(mm)最大載荷p(N)跨距L(mm)彎曲強度仃(MPa)仃平均彎曲強度(MPa)110.002.90142.8548122.29127.6429.903.00153.8048124.2839.973.00169.9548136.373

19、.3實驗數(shù)據(jù)的分析測試后得剪切強度為5.75MPa,彎曲強度為127.64MPa,比照其他組結(jié)果發(fā)現(xiàn)本組 強度偏低.暫且找到一組數(shù)據(jù)相仿的組的樣品作比照進(jìn)行分析.環(huán)氧量固化劑固化劑用量活性稀 釋齊1用 量固化時間剪切強度MPa彎曲強度MPa本組100g咪坐3.9 g30g60 C /2h+80 C /2h5.75127.64100g咪坐3.6 g20g70 C/1h+100 C/2h7.618140.172從實驗數(shù)據(jù)比照及樣品外觀形貌可分析出影響玻纖環(huán)氧樹脂復(fù)材的力學(xué)性能的因素主要是以下三點.3.3.1 浸膠的用量及均勻度從固化后的樣品外觀發(fā)現(xiàn)顏色深淺不一,從測試上發(fā)現(xiàn)同塊樹脂板材料的試樣受力

20、不均勻判斷是手糊成型時樹脂涂抹不均勻所致.3.3.2 活性稀釋劑的用量多加了活性稀釋劑但稀釋劑是參與反響的,沒有相應(yīng)增加適量的咪陛,導(dǎo)致固化不完全3.3.3 .固化時間與溫度的影響對咪唾的描述是常溫下可固化且反響迅速,所以在溫度上采用了最低值,但因活性稀釋劑放的多的原因?qū)е聭?yīng)固化溫度及時間都增長,但操作中給的低所以固化不完全第4章結(jié)論與展望結(jié)論：本文主要是研究環(huán)氧樹脂基體的玻璃纖維增強的配方設(shè)計和性能測試以及手糊成型工藝參數(shù)：通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)定出環(huán)氧樹脂體系的配方,并選用咪唾為其固化劑,添加稀釋劑來降低其粘度.通過文獻(xiàn)查閱,確定環(huán)氧樹脂的最正確固化 參數(shù),并對樹脂進(jìn)行性能測試.通過實驗,得出以下結(jié)論：(1)玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的配方為 144環(huán)氧樹脂,固化劑為咪 唾,增強體短切玻璃纖維布,稀釋劑.(2)通過查閱文獻(xiàn),定出最正確固化工藝參數(shù)：60C/2h+80C/2h+100c/2h.(3)玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能得到極大的提升,具層間剪切強度為7.618MPa,彎曲弓雖度為140.172MPa展望：玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用隨著高新