玻纖增強環(huán)氧樹脂復合材料拉伸性能的研究

付成龍，向 陽

(成都航空職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都 610000)

玻璃纖維增強復合材料(GFRP)由于具備較高的比強度和比模量、耐腐蝕、破壞安全性好等優(yōu)點被廣泛應用于生活和工業(yè)領(lǐng)域，如玻璃鋼游艇、大跨度橋梁、風電葉片、垃圾桶等[1-8]。其鋪層參數(shù)及在化學溶劑侵蝕后力學性能的研究尤為重要，本文通過不同的鋪層角度和溶劑，比較了鋪層角度、浸泡溶劑對GFRP試樣力學性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

濃度30%的H2O2溶液，天津福晨化學試劑廠；NaOH(顆粒狀)，成都市科龍化工試劑廠；環(huán)氧樹脂E-4675，昆山祥豐新復合材料有限公司；玻璃纖維，市售。

1.2 試驗設(shè)備

JE2002型電子天平；JP-90H型真空泵；電熱恒溫鼓風干燥箱；HY-10080型微機控制電子萬能試驗機。

1.3 試樣制備

為了研究織物鋪層角度對于玻璃纖維復合材料力學性能的影響，分別設(shè)計四種不同的鋪層角度進行研究。此外，為了研究化學試劑對于玻璃纖維復合材料力學性能的影響，分別采用濃度為2%的雙氧水和NaOH溶液(浸泡2 h)進行處理；試驗參數(shù)如表1所示。

表1 試驗參數(shù)設(shè)計表

注：對于空白試樣(E)、模擬氧化(F)、堿環(huán)境(G)試驗，采用全90°鋪層；S為對稱鋪層。

試樣制備過程：采用手糊成型工藝，由50%環(huán)氧樹脂與50%玻璃纖維制得，按照試驗參數(shù)(見表1)制備本次試驗所需的試樣，在真空泵和烘箱環(huán)境下固化成型。

1.4 測試標準

根據(jù)標準GB/T 1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》測定。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同鋪層角度試樣試驗結(jié)果分析

不同鋪層角度試樣的拉伸強度見表2。從表2可以看出，在不同鋪層角度的拉伸強度數(shù)據(jù)中，試樣B的拉伸強度最好，試樣D次之，而試樣A的拉伸強度最低。以試樣C為基準進行比較，試樣A的拉伸強度比試樣C降低了1.31%，而試樣B比試樣C提高了10.12%。

表2 不同鋪層角度試樣拉伸強度

由此可以看出，通過比較試樣C和試樣A在鋪第二、三層時，±45°的鋪層順序剛好相反，但試樣C的拉伸強度只比試樣A的拉伸強度提高了1.31%，因此在鋪層順序中，連續(xù)鋪層±45°時，45°與-45°的先后鋪層順序?qū)υ嚇永鞆姸鹊挠绊懣梢院雎圆挥?。試樣B表面鋪層為45°，該鋪層有良好的損傷容限極限，能降低應力集中；此外有研究表明±45°鋪層可以增加材料的剪切強度和局部屈曲強度，還可避免拉-剪和拉-彎耦合引起固化后的翹曲等變形[9]，故其測試所得結(jié)果最高。通過試樣D與試樣C的鋪層順序?qū)Ρ龋瑑煞N鋪層方式只是在表面第一層鋪層不同，試樣C鋪層為0°，試樣D鋪層為90°，而試樣D的拉伸強度只比試樣C的拉伸強度高2.61%，對比分析得，第一層的鋪層0°或90°對試樣的拉伸強度影響變化不大。

2.2 H2O2溶液 NaOH溶液處理試樣試驗結(jié)果分析

H2O2溶液與NaOH溶液處理的試驗結(jié)果見表3。從表3分析，未經(jīng)處理過的玻璃纖維復合材料試樣的拉伸強度最好，而當試樣分別用H2O2溶液、NaOH溶液處理后，試樣的拉伸強度都比未處理試樣低，分別降低50.47%和26.65%。這是由于復合材料是由玻纖、環(huán)氧樹脂經(jīng)手糊成型工藝制備而成，其構(gòu)件內(nèi)部的空隙率比采用熱壓罐制備的試樣要高得多，在老化環(huán)境下，其力學性能衰減較快。因此，將試樣放于2%H2O2溶液、NaOH溶液中浸泡，溶液容易對GFRP試樣的界面發(fā)生了破壞，降低其界面強度。

表3 H2O2溶液與NaOH溶液處理試驗結(jié)果

同時，有研究表明，將玻璃纖維試樣放于濃度20%的NaOH溶液中，超過60 min后，其彎曲強度降低了46%。NaOH溶液會造成玻璃纖維表面和整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞且纖維體內(nèi)部會出現(xiàn)貫穿性損傷，其破壞程度會隨著侵蝕時間的增加而越發(fā)嚴重[10]。因此，在氫氧化鈉溶液環(huán)境中使用GFRP材料時應該注意防護。

從表3還可以看出，NaOH溶液處理后的拉伸強度比H2O2溶液處理后的拉伸強度高48.1%。試樣浸泡相同的時間時，H2O2溶液對于試樣的腐蝕程度大于NaOH溶液，這是因為經(jīng)H2O2處理后，環(huán)氧樹脂基質(zhì)粗糙度增加，部分樹脂基質(zhì)溶解，纖維暴露增多，有些在纖維之間形成了較深的空隙[11]，使得樹脂基體失去了對纖維的保護作用和傳遞應力的作用，因此試樣在載荷作用下其拉伸強度下降明顯。

3 結(jié)語

通過試驗發(fā)現(xiàn)，玻纖增強環(huán)氧樹脂復合材料可以通過設(shè)計和優(yōu)化鋪層參數(shù)獲得適宜的拉伸強度以達到設(shè)計需求。此外，本次試驗中連續(xù)鋪層±45°時，45°與-45°的先后鋪層順序?qū)υ嚇永鞆姸鹊挠绊懣梢院雎圆挥?；?jīng)過堿(NaOH)處理和氧化劑(H2O2)處理后，GFRP試樣的性能分別降低26.65%和50.47%，表明氧化劑處理比堿處理對玻纖增強環(huán)氧樹脂復合材料的影響較大。