一種vari工藝用高溫環(huán)氧樹脂性能研究

1、68一種VARI工藝用高溫環(huán)氧樹脂性能研究2016年4月一種VARI工藝用高溫環(huán)氧樹脂性能研究張連旺，包建文，鐘翔嶼，李曄(先進(jìn)復(fù)合材料重點實驗室，中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京航空材料研究院，北京100095)摘要：開發(fā)了一種VARI工藝用高溫環(huán)氧樹脂5284VARI，通過DSC(差示掃描量熱儀)測試了該樹脂的固化反應(yīng)特性，利用流變儀分析了該樹脂的成型工藝特性，并通過力學(xué)試驗機(jī)測試了樹脂及其復(fù)合材料的力學(xué)性能。結(jié)果表明，該樹脂體系在成

2、型溫度下具有粘度低和成型時間長的特點，適用于液態(tài)成型工藝，且該樹脂具有良好的耐濕熱環(huán)境性能。關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂；VARI工藝；復(fù)合材料；高溫中圖分類號：TB332文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003—0999(2016)040068—04先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強、可設(shè)計性好和易于整體成型復(fù)雜構(gòu)件等優(yōu)點，具有重要的實用價值，2J，使得人們對它格外重視。但以熱壓罐為主的先進(jìn)復(fù)合材料成本昂貴，限制了先進(jìn)復(fù)合材料的進(jìn)一步擴(kuò)大化應(yīng)用。因此，如何實現(xiàn)復(fù)

3、合材料的低成本化是當(dāng)今復(fù)合材料在擴(kuò)大化應(yīng)用中面臨的重要問題，。近年來，真空輔助成型工藝(VacuumAssistedResinInfusion，簡稱“VARI”)作為一種高性能、低成本的非熱壓罐成型技術(shù)，在航空航天領(lǐng)域受到廣泛重視，該工藝是在真空狀態(tài)下排除纖維增強體中的氣體，通過樹脂的流動、滲透，實現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬。采用VARI工藝制造的復(fù)合材料制件具有成本低、空隙含量小、產(chǎn)品性能好的優(yōu)點，并且其工藝具有很大的靈活性，尤其是對于大

4、厚度、大尺寸的船舶、汽車、飛機(jī)等結(jié)構(gòu)件，VARI工藝是一種十分有效的成型方法J。樹脂基體是復(fù)合材料成型技術(shù)的基礎(chǔ)材料，VARI工藝用樹脂最主要的特點為低粘度及較長的操作時間。目前國內(nèi)外開發(fā)了一系列VARI工藝用基體樹脂，包括聚酯樹脂、乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、雙馬樹脂、聚酰亞胺樹脂、氰酸酯樹脂_1等。其中，以環(huán)氧樹脂體系副居多，而環(huán)氧樹脂體系制備的復(fù)合材料多用于室溫或100o【=以內(nèi)的溫度范圍內(nèi)。本文開發(fā)了VARI工藝用環(huán)氧樹脂5284VA

5、RI，該樹脂是一種新型單組分高溫固化環(huán)氧樹脂，可以在80—90℃的溫度下成型，固化后復(fù)合材料的使用溫度可高達(dá)130~C。本文對該樹脂體系的物理、化學(xué)及工藝特性進(jìn)行了深入研究。1實驗部分11實驗原料和樣品制備(1)樹脂：5284VARI高溫環(huán)氧樹脂，室溫為透明粘性液體。其主要組分為低粘度雙酚A型縮水甘油醚環(huán)氧樹脂E54(無錫樹脂廠生產(chǎn))，M型苯并嗯嗪樹脂M—BOZ(四川大學(xué))以及自制的反應(yīng)固化劑。(2)樹脂澆注體的制備：將樹脂與模具預(yù)先加

6、熱到7O～9O℃的溫度范圍內(nèi)，然后將樹脂澆注到模具中，并一同放置到真空烘箱中進(jìn)行抽真空脫泡處理，脫泡時間為40min左右，然后在烘箱中進(jìn)行加熱固化。固化工藝為：140~C／lh160℃／lh180~C／2h。(3)樹脂DMA試樣：將樹脂澆注體加工為6Omm~10mmX2mm大小。(4)樹脂拉伸試樣：將樹脂澆注體按照標(biāo)準(zhǔn)GB／T25672008的規(guī)定進(jìn)行試樣加工。(5)復(fù)合材料試樣：將5284VARI樹脂與U3160單向碳纖維織物采用VA

7、RI工藝制備為5284VARI／U3160復(fù)合材料，然后按照ASTM相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)合材料試樣的加工。12測試設(shè)備及測試條件差示掃描量熱儀：美國TA公司DSCQlO，用于分析樹脂的化學(xué)反應(yīng)特性。實驗升溫速率為10℃／min，實驗溫度范圍為30～400~C。流變儀：美國TA公司AR2000，用于分析樹脂的成型工藝特性。實驗采用升溫及恒溫兩種模式對樹脂進(jìn)行了粘度分析。其中，升溫模式中采用的升溫速率為2℃／min，溫度范圍為30～150~C；恒

8、溫模式采用的溫度為9O℃，恒溫時間為6h。收稿日期：2015—0911作者簡介：張連旺(1986)，男，碩士，工程師，主要從事樹脂基復(fù)合材料方面的研究。≯0|q峨70一種VARI工藝用高溫環(huán)氧樹脂性能研究2016年4月后，耐熱性能有所降低，但與傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂在20—50~C的下降幅度相比，5284VARI樹脂的耐濕熱環(huán)境性能更為優(yōu)異。圖35284VARI樹脂吸濕前后DMA曲線(5284VARI：吸濕前；5284VARI—S：吸濕后)Fi

9、g3DMAprofileof5284VARIresinsystembothbeforeandaftermoistureabsorption(5284VARI：beforemoistureabsorption；5284VARIS：aftermoistureabsorption)24樹脂的力學(xué)性能5284VARI樹脂按照標(biāo)準(zhǔn)GB／T25672008進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測試，典型的樹脂澆注體試驗力位移曲線如圖4所示，從圖中可以看出，5284VAR

10、I樹脂表現(xiàn)出脆性斷裂的特征，試驗力與加載載荷基本呈線性關(guān)系，這與液態(tài)成型用熱固性樹脂基體的特征是一致的，原因在于VARI工藝用樹脂基體由于低粘度的特性要求，樹脂基體中一般不添加增韌劑組分，相較于熱壓罐成型工藝用樹脂，樹脂脆性要大一些，樹脂的拉伸性能測試數(shù)據(jù)如表1所示。從表中可以看出，5284VARI樹脂的拉伸強度為703MPa，模量為326GPa，斷裂伸長率達(dá)到26％，具有較好的力學(xué)性能。圖4樹脂澆注體試驗力位移曲線Fig4Theten

11、sileloaddisplacementcurveof5284VARIresincast嘶峨表15284VARI樹脂的拉伸性能Table1Tensilepropertiesofresinsystem5284VARI25復(fù)合材料的力學(xué)性能將5284VARI樹脂與U3160單向碳纖維織物采用VARI工藝制備了復(fù)合材料層板，經(jīng)無損檢測，復(fù)合材料層板內(nèi)部質(zhì)量良好。按照ASTM相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)合材料試樣加工與測試，5284VARI／U3160復(fù)合材

12、料力學(xué)性能如表2所示。經(jīng)與BMS8256的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行性能對比，U3160／5284VARI復(fù)合材料的拉伸強度、拉伸模量、極限拉伸應(yīng)變、壓縮強度和開孔壓縮強度均達(dá)到BMS8256相關(guān)性能指標(biāo)的要求，壓縮模量則位于BMS8—256標(biāo)準(zhǔn)的上限。由此可見，采用VARI工藝成型的5284VARI／U3160復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能，復(fù)合材料性能能夠達(dá)到波音BMS8256的材料水平。表25284VARI／U3160復(fù)合材料力學(xué)性能Table