T700碳/EW 100A玻璃纤维预浸料制备及其力学性能研究

熊玉成 巴德玛 李长青 崔海超

摘要：分别使用T700碳纤维、EW100A玻璃纤维和环氧树脂系复合制成预浸料，按照特定铺层固化成复合材料层合板，对其拉伸、压缩和层间剪切性能进行测试，并观察了断口的微观形貌，优选性能较好的作为复合材料挖补用预浸料，结果表明，T700碳纤维增强的环氧树脂复合材料力学性能较好，平均拉伸强度和模量分别为1185MPa和65.2GPa，平均压缩强度和压缩模量分别为580MPa和58.6GPa。EW100A玻璃碳纤维增强环氧树脂复合材料层间剪切性能较好，平均层间剪切强度为66.4MPa，1700碳纤维增强复合材料的平均剪切强度为65.8MPa，通过微观形貌观察分析，可以得出T700碳纤维的力学性能优于EW100A玻璃纤维，二者与树脂的结合能力相差不大。

关键词：碳纤维;玻璃纤维;环氧树脂;预浸料;力学性能

中图分类号：TQ050.4⁺3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）05-0052-05

先进树脂基复合材料在航天器、飞机、舰船、高速列车、汽车等领域的应用近些年来迅速增加，并部分取代了铝合金、钢铁，成为装备结构材料中发展最为迅速的先进材料之一。由于复合材料结构特殊，在制造和使用过程中极易产生各种不同程度上的损伤，其结构损伤修理问题严重阻碍了进一步的发展应用。

复合材料的胶接挖补修理工艺因为能够较好的恢复构件的气动外形并产生较小的的修补应力，是当前复合材料结构修理中普遍采用的一种永久性修理方法。根据修补使用的材料不同，可以将挖补分为预浸料修理，预固化修理和湿铺修理。当使用预浸料对复合材料进行修理时，其本身力学性能将直接影响修补效果的好坏。预浸料的性能由树脂基体和增强纤维的种类决定。

本文分别采用两种不同纤维的织物制成两种预浸料并研究了对应层压板的力学性能，为下一步的复合材料胶接挖补修理优选出力学性能较好的预浸料。

1实验部分

1.1实验材料

LTC80环氧树脂体系，由中航复合材料有限责任公司提供;国产T700碳纤维织物，康德复合材料有限责任公司;国产EWl00A玻璃纤维织物，中材科技股份有限公司。

1.2实验设备

DSC 204F1示差扫描量热分析仪，德国NETZSCH生产;1200mm热熔预浸机，国产;INSTRON 8801/IN-STRON 5966微控电子万能试验机，英斯特朗公司生产;Quan-ta200型扫描电子显微镜，FEI公司生产。

1.3实验过程

1.3.1预浸料制备

预浸料是制造复合材料的中间材料，通常用树脂在一定的条件下浸渍连续单向纤维或者织物，制成树脂基体与增强体的组合物。预浸料可以使用溶液法和热熔法制备。溶液法为传统的预浸料制备方法，所用的树脂为溶液状态，是经过采用溶剂进行溶解调配后形成，制备的预浸料不可避免的含有一定量的挥发，本实验不予采用;热熔法是一种更为先进的预浸料制备方法，不需要任何溶剂。LTC80树脂在升温速率为5℃/min的条件下的粘度-温度曲线如图1所示，发现树脂低粘度的温度范围为70～115℃，即该树脂体系在115℃以下得潜伏性较好，具有较低的粘度，在一定的压力下能够较好的浸渍纤维制备预浸料。

1.3.2复合材料力学试验试样制备

使用制备好的预浸料按照[（0/90）]13S的的铺设方法，采用热压罐法制备力学性能试验使用的复合材料层合板。固化工艺为70℃保温30分钟，120℃保温2小时，得到两种不同的复合材料层合板。

1.3.3复合材料力学性能检测

根据ASTM D 3039/D3039M-14聚合物基复合材料拉伸性能标准实验方法。

ASTM D 6641/D 6641M-16使用组合加载压缩（CLC）试验夹具测量聚合物基复合材料层压板压缩性能的试验方法。

ASTM D 2344/D 2344M-16聚合物基复合材料及其层压板短梁强度标准试验方法。

1.3.4SEM测试

采用Quan-ta200型扫描电子显微镜扫描电镜观察各种材料的表面形貌和断口形貌。取部分复合材料断裂样品，用导电胶将其固定在样品台上观察其断口形貌。

2结果与讨论

2.1复合材料拉伸性能研究

从图2可以看出T700碳纤维织物增强复合材料拉伸强度和拉伸模量相对EWl00A玻璃纤维复合材料高出很多，平均拉伸强度为1185MPa，平均拉伸模量为65.2GPa;而玻璃纤维织物增强复合材料平均拉伸强度只有475MPa，平均拉伸模量也只有23.4GPa。

图3是两种不同复合材料不同倍数下的拉伸断口的SEM图，从图3（a），（b），（d），（e）可以看出EWl00A玻璃纤维复合材料发生拉伸破坏时纤维发生大面积断裂，断口处纤维损坏严重，断口起伏较大，纤维与树脂严重脱离，而碳纤维复合材料发生拉伸破坏时断口处纤维较为完整，主要是树脂基体的破坏，且树脂基体与碳纤维未发生较为严重的脱离现象，这说明T700碳纤维的力学性能>EWl00A玻璃纤维的力学性能;这就不难解释了700碳纤维复合材料的拉伸性能远远大于玻璃纤维复合材料的力学性能。

2.2复合材料压缩性能研究

从图4可以看出T700碳纤维织物增强复合材料压缩强度和压缩模量明显优于玻璃纤维织物增强复合材料，平均压缩强度达到了580MPa，平均压缩模量为58.6GPa;而玻璃纤维增强复合材料平均压缩强度只有384MPa，平均压缩模量也只有25.1GPa。

图5是两种复合材料的压缩断裂后的SEM图，在压应力的作用下玻璃纤维发生“折断”，纤维也与树脂基体严重脱粘，发生粉碎性破坏;而T700碳纤维复合材料的断口较为平整，纤维与树脂并未受到严重破坏，这也说明了玻璃纤维的强度远远弱于T700碳纤维的强度，导致两种复合材料的压缩性能的迥异。

2.3复合材料层间剪切强度研究

短梁法层间剪切实验是将试样放置于两个支撑圆棒上，上面在压一个圆棒，试样在载荷的作用下发生弯曲变形，最后的破坏主要是由层间结合失效所引起的层间剪切破坏，强度主要受限制于纤维与基体的界面结合强度以及树脂基体自身的力学性能。

由树脂基从图6可以看出两种纤维增强复合材料的层间剪切性能相差无几，平均都在65MPa左右，这是因为作为复合材料中的主要承载相，纤维的性能决定着复合材料的拉伸压缩等力学性能，而层间力学性能则主要受限制于纤维与基体的界面结合强度以及树脂基体自身的力学性能。图4是两种材料的层间剪断口SEM图，从图7（a），（b）可以看出两种材料在外力的作用下都发生了分层现象，从图7（c），（d）可以发现两种纤维与树脂的结合能力也相差不大，均与树脂粘连良好，所以而且的层间剪切性能相差不大。

3结论

通过实验得知T700碳纤维对树脂基复合材料的力学性能增强效果更加明显，其中拉伸强度和拉伸模量平均达到1185MPa和65.2GPa;压缩强度和压缩模量平均达到580MPa和58.6GPa;而兩种复合材料的层间剪切性能相差不大都在65MPa左右。通过微观形貌观察分析，可以得出T700碳纤维的力学性能优于EWl00A玻璃纤维，二者与树脂的结合能力相差不大。综上所述，在选择挖补修理用预浸料时，优先选用T700碳纤维增强环氧树脂基预浸料。