水射流切割中材料性能及切割方向对断面质量的影响

刘丹丹

(长江大学机械工程学院,湖北 荆州 434023)

PBO纤维在高温、高压和严酷化学环境下具有卓越的稳定性,耐烧蚀性能优异,残炭率高,因而可作为绝热层候选材料。酚醛树脂是一种具有良好烧蚀性能的复合材料树脂基体[1]。为制备先进的树脂基复合材料——PBO纤维/酚醛树脂复合材料,在试验阶段,需要对PBO纤维/酚醛树脂复合材料进行力学性能的测试,如何得到测试样条,如何对其进行切割加工,保证有理想的切口质量,是一个有待解决的技术问题。由于PBO纤维具有比芳纶更高的比强度和比模量,因此本试验所制备的PBO纤维/酚醛树脂单向复合材料与传统的单向复合材料的性能显著不同,用一般的机械切割方法根本无法实现样品的裁切。曾试图用激光切割、火焰切割、等离子切割等,但发现切割后复合材料表面烧焦变黑,严重影响后续各种测试。因此必须应用另一种特种加工技术——水射流切割技术。水射流切割技术的发展来源于“水滴石穿”。水滴石穿是微小的冲量对时间的积分。高压水射流切割利用增压器将水加压,水获得压力能,再从细小的喷嘴喷射而出,将压力能转换为动能,从而形成高速射流。利用这种高速射流的动能对工件的冲击破坏作用,达到切断的目的[2]。有研究者研究了切割工艺对切割断面质量的影响[3],这些研究主要集中在金属材料、陶瓷、大理石等无机材料[4～6]。研究者提到水射流切割技术可应用于复合材料的切割[7～8],但其切割质量如何还未见报道。本文主要研究对纤维增强树脂基复合材料进行水射流切割时,材料的性能和切割方向对切割断面质量的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

日本某公司的PBO纤维(ZYLON AS),丙酮(分析纯),改性酚醛树脂;德国某公司的偶联剂(A-187);甲苯(分析纯)。

1.2 PBO纤维的表面处理

将PBO纤维用无水乙醇浸泡24 h后用蒸馏水充分清洗,干燥备用(该纤维称为纤维A)。以甲苯为溶剂,配置一定浓度的偶联剂A-187溶液。将纤维A放在偶联剂中浸泡一定的时间后取出,置于烘箱烘干后,放入HD-1B型等离子仪中,控制一定的处理时间、功率和气压,用氧气低温等离子体对其表面进行改性,改性后的纤维称为纤维B。

1.3 PBO纤维/酚醛树脂复合材料的制备

首先将酚醛树脂和无水乙醇以1∶1的质量比在室温下充分搅拌制成树脂溶液。将PBO纤维单层单向地缠绕在缠绕机上,然后涂覆酚醛树脂溶液,控制一定的树脂含量,在室温下干燥24 h制得预浸料,然后将预浸料单向逐层叠放。置于模具后放置在平板硫化机中分段固化。120℃固化80min,130℃固化40min,160℃固化35min,最后在15MPa,170℃固化90min。保压冷却至室温,取出样品备用。

1.4 试样的切割

所需试样尺寸为20mm×6mm×2.2mm。利用AUTOCAD绘制出合理的排样图,采用磨料水射流切割技术对不同的单向复合材料板进行切割。水的喷口直径为0.3mm,水速为100mm/min,水压为300MPa。

1.5 单向复合材料力学性能测试

单向复合材料的层间剪切强度参照JC/T773-1996标准进行测试。将试样放于万能材料试验机(Sintech 2/DL)上进行层间剪切强度的测试。试样跨距10mm,加载速度1mm/min。

1.6 复合材料表面的亲水性

利用液滴形状法测定单向复合材料表面与水的静态接触角。液滴大小用微量注射器控制在1 μ l左右。所用仪器为德国某公司的静态表面接触角测定仪OCA15。

1.7 纤维及单向复合材料微观形貌的分析

将PBO纤维及其单向复合材料喷金处理,用德国的 LEO VP1530型扫描电子显微镜进行观测。测试电压:10 kV。

2 结果与讨论

2.1 水切割方向对断面质量的影响

PBO纤维/酚醛树脂单向复合材料在制备过程中是单向叠放,在切割过程中沿不同方向切割后,用肉眼观察发现其截面质量明显不同。以纤维A/酚醛树脂复合材料为例,探讨水切割方向对断面质量的影响,图1a是平行于纤维方向进行切割后,将其截面放大25倍,发现上面有很多细小纤维。而垂直于纤维方向进行切割时,其截面基本无毛刺,即使放大到500倍也看不到纤维毛刺。由此可得出,沿着平行于纤维方向切割,其断面效果较差,这可能是由于PBO纤维表面光滑,与酚醛树脂的结合较差,所以沿着平行于纤维的方向切割时,与树脂结合差的纤维在水切割力的作用下,形成大量细小纤维脱离原复合材料的现象。

图1 纤维A/酚醛树脂复合材料断面SEM

2.2 PBO纤维/酚醛树脂复合材料的性能

纤维A/酚醛树脂复合材料的层间剪切强度为21.2MPa,纤维经改性后所制备的单向复合材料的层间剪切强度有很大的提高,可达34.5MPa。

图2为PBO纤维/酚醛树脂复合材料表面亲水性。改性前PBO纤维所制备的复合材料与水的接触角大于90°,达到102°,经改性后其亲水性明显增强,与水的接触角约为75°。纤维复合材料表面的亲水性主要与纤维和树脂的性质有关,各样品的纤维和树脂的种类以及含量均相同,其亲水性的差异由纤维的表面性能所决定。复合材料的表面亲水性与组成该复合材料的纤维的润湿性一致。由此可判断出纤维B的润湿性能更好。

图2 PBO纤维/酚醛树脂复合材料表面亲水性

2.3 PBO纤维/酚醛树脂复合材料的性能对断面质量的影响

前面已探讨了纤维A/酚醛树脂复合材料和纤维B/酚醛树脂复合材料层间剪切强度和表面亲水性的差异,本节进一步探讨复合材料的性能对断面质量的影响。

(1)复合材料的性能对垂直于纤维方向切割断面的影响

图3是垂直于纤维方向切割后断面的微观形貌,图3a、3c、3e是纤维A/酚醛树脂切割后断面不同放大倍数的微观形貌。图3b、3d、3f是纤维 B/酚醛树脂切割后断面不同放大倍数的微观形貌。从图中可看出,经水切割后截面相对较平整,放大500倍,两者的差异很小。将倍数放大到2000和5000倍后,才可明显地看出其差异。纤维表面的润湿性越差,其断面质量越差,纤维与树脂间的浸润性差导致其层间剪切强度差,从而影响产品最终的断面质量。

(2)复合材料的性能对平行于纤维方向切割断面的影响

图4是平行于纤维方向切割后经层间剪切测试试验后断面的微观形貌,图4a、4c是纤维A/酚醛树脂的断面不同放大倍数的微观形貌。图4b、4d是纤维B/酚醛树脂的断面不同放大倍数的微观形貌。层间剪切样品的厚度是2mm,放大25倍后,厚度方向的切割效果在观测范围之内,从整体上来看纤维B/酚醛树脂的截面质量较好,毛刺相对较少。进一步将其放大到500倍,可发现从微观上也可看出,其断面质量的差异明显,经改性后,纤维B/酚醛树脂的层间剪切强度高,纤维的浸润性好,其断面质量好。

3 结论

利用磨料水射流对纤维增强树脂基复合材料时,当沿着垂直于纤维的方向进行切割其断面质量较好。复合材料中的树脂基体和纤维之间的相容性好,则断面的质量好。磨料水射流在纤维增强树脂基复合材料中的应用以及如何提高断面的质量还有待进一步的研究。

[1] 刘丹丹.PBO纤维的低温等离子体表面改性及其先进复合材料的制备[D].广州:华南理工大学,2007.

[2] 陶彬.高压水射流加工理论与技术基础研究[D].大连:大连理工大学,2003.

[3] 杨桂林.磨料水射流切割断面质量控制的研究[D].成都:西华大学,2006.

[4] 杨林,张凤华,唐川林.磨料水射流切割断面质量的研究[J].机械设计与研究,2003,19(5):54-56.

[5] 李湘洲,杨军.高压水射切割陶瓷新工艺[J].现代陶瓷技术,2005(2):33-35.

[6] 卢新郁,黄传真,冯衍霞,等.磨料水射流在大理石切割中的应用[J].山东大学学报(工学版),2007,37(2):21-24.

[7] 董庆华.控高压水射流切割机的研究与设计[D].合肥:合肥工业大学,2007.

[8] 陈光明.数控超高压水射流切割技术的特点及其应用[J].机床与液压,2007,35(8):64-68.