玻璃纖維增強(qiáng)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(qiáng)環(huán)氧樹脂基玻璃纖維增強(qiáng)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2章概述1玻璃纖維增強(qiáng)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1實驗原料2.1.1環(huán)氧樹脂2.1.2玻璃纖維2.1.3咪哇固化劑2.1.4活性稀釋劑2. 2手糊成型簡介4實驗部分2.4. 1實驗儀器4. 2實驗步驟第3章力學(xué)性能測試1剪切強(qiáng)度2彎曲強(qiáng)度3實驗數(shù)據(jù)的分析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章結(jié)論與展望1結(jié)論與展望參考文獻(xiàn)1.

2、1玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)材的研究現(xiàn)狀EP/玻璃纖維(GF)復(fù)合材料是言丁前研究比較成熟、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(qiáng)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)和科技發(fā)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%o毋庸置疑,EP/玻璃纖維(GF)復(fù)合材料的質(zhì)量輕，高 強(qiáng)度等優(yōu)于金屬的特性，會 在某

3、些領(lǐng)域更廣泛的使用，L1前復(fù)材的粘接性能與力學(xué)性能成為主要的研究方面。 U前主要的成型方法有手糊成型，纏繞成型，熱壓管成型，RTM成型，拉擠成型。2本次試驗的目的及方法實驗山學(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。目的在于了解材料科學(xué)實驗所涉及到的設(shè)備的基本使用。掌握環(huán)氧樹脂固化體系的配置及設(shè)計。對手糊成型操作了解，及查找文獻(xiàn)完成論文的能力。就此要求我們笫2組采用環(huán)氧樹脂E-44, 20cmx20cm的玻璃纖維布13張，用咪 醴固 化劑并加入稀釋劑防止體系過粘。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定咪哇固化環(huán)氧樹脂的最 佳固化條件：

4、60C/2h+80C/2h，制備了玻璃纖維增強(qiáng)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，其層間剪切強(qiáng)度為5. 750Mpa，彎曲強(qiáng)度為127. 64Mpa4/1* OOC.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(qiáng)度等性能的熱固性高分子合成材 料。其中，雙酚A縮水甘油目迷型環(huán)氧樹脂的原材料來 源方便、成本低，所以在環(huán)氧樹脂中它的C H3C H3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，故應(yīng)用最

5、廣，產(chǎn)量最大，約占環(huán)氧樹脂總 量的85%以上（9）。其化學(xué)結(jié)構(gòu)如下: 從環(huán)氧樹脂本身的結(jié)構(gòu)分析，其主要特點如下： H- （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(qiáng)山于樹脂中的脂肪族疑基、迷鍵和環(huán)氧基的存在，這些極性基能與含有 金屬、硅酸鹽、活潑氫的材料表面產(chǎn)生較強(qiáng)的分子間作用力或發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)鍵，因此環(huán)氧 樹脂的粘著性很強(qiáng)，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

6、（一般為6. 0 XIOATi），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%o（4）化學(xué)穩(wěn)定性好環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中無酚性疑基，乂無酯鍵，所以其 耐堿性比酚醛 樹脂和聚酯樹脂要好，此外，在固化后的體形結(jié)構(gòu)中有穩(wěn)定的苯環(huán) 和迷鍵，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)外還有兩個迷鍵，具有一定的活動性，因而脆性較小，基本屬于硬而強(qiáng)韌性的材料， 所以具有較高的機(jī)械強(qiáng)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。

7、1.2玻璃纖維布玻璃纖維（英文原名為：glass fiber或fiberglass ）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(qiáng)、抗腐蝕性好，機(jī)械強(qiáng)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，其單絲的直 徑為兒個微米到二十兒米個 微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的1/20-1/5 ,每束纖維原絲都曲數(shù)白根甚至 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-GLASS無堿玻 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)

8、涂塑包裝布，以及用于耐腐蝕場 合?？椢锏奶匦杂衫w維性能、 經(jīng)緯密度、紗線結(jié)構(gòu)和織紋所決定。經(jīng)緯密度乂由 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(qiáng)度等。有五種基本的織紋：平紋plan （類似方 格布）、斜紋twill （-般-45度）、緞紋statin （類似單向布）、羅紋len。（玻璃纖維網(wǎng)格布主要 織法）和席紋 matts （類似牛津布）o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：堆竭拉絲和池窯拉絲。3、按品種：有合股紗、直接紗、

9、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咪醴固化劑常用的咪醴類環(huán)氧樹脂固化劑包括咪庇，2-中基咪醴，2-乙基-4-甲基咪醴，2-苯基咪醴等，與一般的環(huán)氧樹脂固化劑相比，它具有以下兒個方面的優(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。固化活性較高，中溫條件下短時間即可固化。固化物熱變形溫度高，有優(yōu)異的耐化學(xué)介質(zhì)性能、電絕緣性能力學(xué)性能。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。咪醴類環(huán)氧樹脂固化

10、劑除上述優(yōu)點外，還存在一些缺點和問題,具體表現(xiàn)在：咪醴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。咪醴類固化劑在高溫下有一定的揮發(fā)性和吸濕性。品種較少，不能滿足特殊的施匚工藝以及對固化物的某些特定要求。常用咪吐類固化劑山于固化活性較高，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。咪醴類的固化機(jī)理：咪醴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) 行固化反應(yīng)時一般認(rèn)為咪醴環(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)氧樹脂反應(yīng)，形成1:2加成產(chǎn)物；當(dāng)1 位氮原子

11、上存在取代基時1位氮原子不與環(huán)氧樹脂發(fā)生開環(huán)反應(yīng)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。O H O H N HjC一CM-R-|=1 fCH CHjQ3IN N ： +CHR H=J / 明成、石 02.1.4活性稀釋劑活性稀釋劑按英每個分子所含反應(yīng)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應(yīng)的基團(tuán)，如甲基丙烯酸書-疑乙酯(HEMA) O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應(yīng)基團(tuán)的活性稀釋劑，如1,6- 己醇二丙烯酸酯(HDDA

12、)。采用含較多官能團(tuán)的單體，除了增加反應(yīng)活性外，還能賦予固化膜交 聯(lián)結(jié)構(gòu)。這是因為，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)的單體可得到高交聯(lián)度網(wǎng) 絡(luò)。手糊成型是指用手工或在機(jī)械輔助下將增強(qiáng)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。手糊成型工藝包括叫（-）原材料的準(zhǔn)備：（1）玻璃纖維織物的準(zhǔn)備注意事項：1）玻璃布的經(jīng)緯向強(qiáng)度不同，對要求正交各項同性的制品，則應(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(qiáng)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、

13、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 間和固化程度的控制。凝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(qiáng)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，則要檢查模具的破損情況，如有破損要進(jìn)行修補(bǔ)，如 果發(fā)現(xiàn)模具表面粗糙，則應(yīng)按下列順序仔細(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

14、蠟。3）保管模具時要蓋好聚乙烯薄膜，防止粉塵、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：清除模具表面的水分、灰塵、污 垢，充分干燥模具；將石蠟脫模劑在模具表面按一定方向、一定順序輕輕地擦拭，模具 的凸部、棱角要特別注意涂均勻；待干燥后用軟布擦亮；大部分石蠟類脫模劑都含有 揮發(fā)性物質(zhì)，所以卓復(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表面質(zhì)量問題，并延長其使用壽命，在制品表 面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 可用表面氈增強(qiáng)， 通常稱為膠衣層。其厚度一般約為

15、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實驗部分2.4. 1實驗儀器設(shè)備表2 2實驗用主要儀器設(shè)備設(shè)備名稱型號生產(chǎn)單位電子精密大平JM-BL-1003余姚市紀(jì)銘稱重校驗設(shè)備有限公司電熱鼓風(fēng)干燥箱DHG-9075A上海-怛科學(xué)儀器有限公司微電子拉力機(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，咪醴類固化劑用量03%取3. 9go 20cmx20cm的玻璃纖維布15張。固化條 件：60C/2h+80C/2ho實驗步驟：（1）實驗前

16、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，用剪子按照模具的尺寸剪出15塊20cmx20cm玻璃纖維布，待用。（2）樣品的稱量將塑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咪醴。（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(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

17、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脫模及修整將固化好的制品從烘箱中取出，將制品從模具總?cè)∠聛怼χ破愤M(jìn)行裁剪、打磨、 修整，得到接近LI標(biāo)尺寸b 10mm,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(qiáng)度我們將6根試樣分別進(jìn)行測試，根據(jù)剪切強(qiáng)度公式得數(shù)據(jù)如下:4/加其中q短梁層間減切強(qiáng)度，MPa；P試樣破壞時的最大載荷，N；b試樣寬度，mm；b試樣寬度，mm；h試樣厚度，mm；剪切強(qiáng)度平均剪切強(qiáng)t (MPa)壽 /re、)度 r

18、 ( MPa)試樣平均寬度b(mm)試樣平均高度h(mm)試樣所能承受的 最大力p(N)16.002.92142.26.125.7525.702.86137.66.2436.002.95128.355.5346.002.98131.85.6856.132.98124.95.0965.573.00125.455.823. 2彎曲強(qiáng)度我們將3根彎曲樣條分別進(jìn)行測試，根據(jù)彎曲強(qiáng)度計算公式得以下數(shù)據(jù):3pLy 二2bh2a彎曲強(qiáng)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(qiáng)度a(MPa)

19、b平均彎曲強(qiáng)度(MPa)110.002.90142.8548122.2929.903.00153.8048124.28127.6439.973.00169.9548136373. 3實驗數(shù)據(jù)的分析測試后得剪切強(qiáng)度為5. 75MPa彎曲強(qiáng)度為127. 64MPa,對比其他組結(jié)果發(fā)現(xiàn)本組強(qiáng)度偏低。暫且找到一組數(shù)據(jù)相仿的組的樣品作對比進(jìn)行分析。環(huán)氧量固化劑固化劑活性稀固化時間四切強(qiáng)彎曲強(qiáng)EO日用量釋劑用度度MPa量MPa本組100g咪哇3.9g30g60C/2h+80C/2h75127.64參考組100g咪哇3.6g20g70C/lh+100C/2h7.618140. 172從實驗數(shù)據(jù)對比及樣品外觀

20、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應(yīng)的，沒有相應(yīng)增加適量的咪坐，導(dǎo)致固化不完全3. 3.3。固化時間與溫度的影響對咪醴的描述是常溫下可固化且反應(yīng)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(qiáng)的配方設(shè)汁和性能測試以及手糊成型 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，并選用咪哇為其固化劑，添加稀釋 劑來降低其粘度。通過文獻(xiàn)查閱，確定環(huán)氧樹脂的最佳固化參數(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E-44環(huán)氧樹脂，固化劑為咪醴，增強(qiáng) 體短切玻璃纖維布，稀釋劑。（2）通過查閱文獻(xiàn)，定出最佳固化工藝參數(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)性能得到極大的提高，其層間剪 切強(qiáng)度 為 7. 618MPa，彎曲強(qiáng)度為 140. 172MPa。展望：玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用隨著高新技術(shù)的發(fā)展而 日益深入。 其