真空成型体育器材用碳纤维增强PES树脂材料力学性能研究.pdf

分析研究 年第 期高科技纤维与应用真空成型体育器材用碳纤维增强 树脂材料力学性能研究王博仑 孟佳珩(黑龙江中医药大学体育教研部 哈尔滨)摘 要:在碳纤维内加入聚醚砜()树脂法 利用真空辅助成型()工艺制备得到改性复合材料 研究真空成型压力参数对体育器材用碳纤维增强 树脂材料力学性能和拉伸断面的影响 研究结果表明:相对于改性前的 树脂材料拉伸强度 经过 、与 处理得到的改性复合材料在拉伸强度方面依次提升了 、与 拉伸模量依次提升 、与 相对于原始纤维 经过改性形成了更加粗糙的表面结构使纤维与树脂可以发生更加紧密的结合 经过改性的 树脂材料形成的断口具有明显的韧性断裂特点在 下得到的改性 树脂材料形成了明显断口结构 此时的试样获得了最优的拉伸强度与模量关键词:复合材料 定型压力 聚醚砜树脂 工艺 拉伸性能中图分类号:文献标识码:文章编号:()作者简介:王博仑()实验师 主要研究体育材料加工等 电子邮箱:():()()分析研究 高科技纤维与应用 年第 期 :引言碳纤维增强树脂基复合材料具备强度高、抗疲劳、耐腐蚀、比模量大、易于设计加工等多项优势而被大量应用在体育器材制造等领域 但由于该材料的制造成本较高 对其应用领域的推广造成了明显限制 尤其是在纤维增强树脂基复合材料的制备过程中工艺操作复杂 进而增加了制造过程中的成本 为了降低复合材料制造成本 可以引入真空成型()加工方法 该技术是在真空压力梯度下利用干态预制体织物浸润低粘度树脂 之后再将其升温至一定温度获得最终的复合材料试样 利用这一工艺制得的复合材料只含有较低比例的纤维 其孔隙率较高力学 性 能 较 差 无 法 满 足 高 性 能 领 域 应 用需求 相关方面的研究吸引了很多的研究学者 查友其等采用真空吸附的加工方法制得玻璃纤维增强复合材料并对其处于海洋环境中的老化过程进行了测试 结果显示当老化时间延长后 试样的吸水增重率也随之升高并获得更高的饱和吸水增重 引起轴向压缩强度的显著减小 马如飞等综合运用真空成型与热压罐成型的方法制得碳纤维单向预浸料 并对其各项物理力学性能进行了分析 发现采用此成型系统制得的复合材料可以达到至少 的性能保持率 还有部分达到了以上 张颖军重点对比了采用不同成型工艺得到的玻璃纤维增强复合材料老化性能 获得该材料的增重变化特征与温度、老化时间、树脂含量、紫外线强度的关系这类复合材料构件往往具有复杂的外形结构选择的定型剂也可以跟浸润树脂之间形成良好的匹配状态 为了提高体育器材用材料的力学性能 本文选择在碳纤维内加入聚醚砜()树脂法 利用 工艺制备得到改性复合材料研究真空成型压力参数对体育器材用碳纤维增强 树脂材料力学性能和拉伸断面的影响 为碳纤维增强树脂基复合材料的制备工艺优化奠定一定的理论基础 实验 材料制备本实验选择单轴向 碳纤维作为测试织物(湖北长盛复合材料科技有限公司)该织物的单层厚度等于 面密度等于/以 改性聚醚砜()制备得到热塑性树脂 其熔点介于 之间 单层厚度与面密度分别是 与/该树脂的制备过程是通过质量比等于 的双酚()与固化剂()进行混合获得 同时对其进行 保温 与 保温 的固 分析研究 年第 期高科技纤维与应用化热处理 之后对固化的数值进行水浴处理 水浴温度控制在 左右 测试方法从图 中可以看到 对试样进行热压定型时 树脂与织物的铺放结构 第一步 先把碳纤维织物裁剪为拉伸测试所需尺寸与数量的试样再把 树脂裁切为和预制体织物具有同样外形结构与尺寸的试样 第二步 把 树脂和碳纤维按照一定的间隔方式进行布置 保证预制体的上表面与下表面都是由纤维织物构成 第三步通过真空袋法完成预制体的封装 再将其放入自行控温装置中 之后将其升温至 并保温 使得 树脂在碳纤维间发生熔融现象并定型 第四步 以 、的不同压力制备得到改性预制体 再通过 工艺制得改性复合材料 同时研究试样力学性能与定型压力之间的关系.1B.1B.1B.1B-34-3414-3414-3414图 试样热压定型时 树脂与织物的铺放结构分别测试改性前后的试样拉伸性能 综合分析试验用织物与 的单层厚度 在设定温度与压力下处理 层 树脂与 层碳纤维获得复合材料 碳纤维增强 树脂复合材料的力学拉伸性能在 系列万能力学拉伸试验机上进行测试 次求取平均值 结果分析分别对三种压力下得到的改性复合材料进行力学性能测试 并和改性前的情况进行比较 深入分析了定型工艺合理性 拉伸结果分析通过测试发现 经过改性处理的 树脂材料达到了更高的拉伸强度与拉伸模量 这跟实际定型压力存在密切关联 从表 与表 中可以看到 对 种 树脂材料进行拉伸测试得到的数据表 复合材料拉伸强度测试结果编号真空成型压力/平均值 增幅/表 复合材料拉伸模量测试结果编号真空成型压力/平均值增幅/分析研究 高科技纤维与应用 年第 期 可以明显发现 相对于改性前的 树脂材料拉伸强度 经过 、与 处理得到的改性复合材料在拉伸强度方面依次提升了 、与 同时 这三种改性 树脂材料所具有的拉伸模量依次提升 、与 当复合材料的层板强度与模量增大后 可以使材料结构设计方面获得更优的性能 拉伸断面结果分析实验对改性前后的 树脂材料试样进行了扫描电镜表征 从图 与图 中可以看到对各试样的平行与垂直纤维断面区域进行 表征得到的微观形貌 经过改性之后 构成 树脂材料的纤维发生了表面形态改变 相对于原始纤维 经过改性形成了更加粗糙的表面结构 使纤维与树脂可以发生更加紧密的结合图 不同真空压力下平行纤维方向试样拉伸断面电镜图图 不同真空压力下垂直纤维方向试样拉伸断面电镜图 根据图 ()可知 没有经过改性的 树脂材料发生了脆性断裂 此时的纤维具有光滑表面 经过改性后 树脂材料中形成了具有粗糙表面 如图 ()、()所示 产生该结果的原因是织物层内的 树脂在成型阶段可以对纤维表面造成包裹并渗透到纤维束间隙中引起预制体织物表面状态的变化 使纤维与树脂之间产生更强粘接力 界面结合力获得显著提升图 显示了对断口区域的垂直纤维进行扫描电镜表征得到的图像 可以明显看到 试样经过拉伸后形成的树脂与纤维微观结构 通过分析垂直纤维的断口区域微观形貌可知 没有经过改性的 树脂材料断口发生了脆性断裂 如图 分析研究 年第 期高科技纤维与应用()所示 经过改性的 树脂材料形成的断口具有明显的韧性断裂特点 如图 ()、()所示 在 下得到的改性 树脂材料形成了明显断口结构 此时的试样获得了最优的拉伸强度与模量 这有助于在 工艺下保持原有成本的情况下显著提高复合材料性能在织物层间加入 树脂再对其施加一定温度与压力作用后得到改性预制体 显著提升了以真空辅助成型工艺碳纤维增强 树脂复合材料的力学强度 其中 定型压力升高后得到的改性 树脂材料获得了更高的拉伸强度 这是由于当 树脂发生熔融时将对纤维与织物层形成包裹与渗透作用 引起纤维表面结构的变化 结论()相对于改性前的 树脂材料拉伸强度 经过 、与 处理得到的改性复合材料在拉伸强度方面依次提升了、与 拉伸模量依次提升、与 ()相对于原始纤维 经过改性形成了更加粗糙的表面结构 使纤维与树脂可以发生更加紧密的结合 经过改性的 树脂材料形成的断口具有明显的韧性断裂特点 在 下得到的改性 树脂材料形成了明显断口结构 此时的试样获得了最优的拉伸强度与模量参考文献 范志平 靳高岭 芳纶/碳纤维混杂增强树脂复合材料的抗冲击性 能 合 成 纤 维 ():郑晓翼 胡林清 田雨涵 等 玄武岩纤维增强聚醚砜复合材料制备与性能 塑料工业 ():王小艳 碳纤维复合材料对运动器材结构刚度的优化改进 合成纤维 ():周长庚 荀国立 李小兵 等 真空成型碳纤维/环氧树脂基复合材料性能研究 宇航材料工艺():张瑞杰 复合材料真空成型液压机自动化生产线设计 机械设计 ():马如飞 李嘉 桂佳俊 等 真空成型与热压罐成型复合材料的性能对比 航空材料学报 ():陈宇飞 耿成宝 韩阳 等/复合材料的微观结构与耐热性 哈尔滨理工大学学报 ():吴唯 陈诗英 宗孟静子 纳米/聚醚砜 环氧树脂复合材料的介电性能及热稳定性能 材料导报 ():查友其 张颖军 真空吸附成型玻璃纤维/环氧复合材料自然老化特性试验研究 玻璃钢/复合材料():马如飞 李嘉 桂佳俊 等 真空成型与热压罐成型复合材料的性能对比 航空材料学报 ():陈宇飞 谭珺琰 张清宇 等 /复合材料微观形貌及性能 复合材料学报 ():张颖军 朱锡 梅志远 等 成型工艺对玻璃纤维增强复合材料自然老化特性的影响分析 材料导报 ():