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PF/高硅氧布/HGB复合材料力学性能研究

2022-12-01 来源:步旅网
第41卷,第12期 2013年12月 工程塑料应用 V0I・4l・N。・12 ENGINEERING PLASTICS APPLICATION Dec.2013 23 doi:lO.3969/j.issn.1001-3539.2013.12.005 PF/高 硅氧布/HGB复合材料力学性能研究 张麟,刘峰,杨长红,贺西玲 (西安航天复合材料研究所,西安710025) 摘要:采用高强中空玻璃微珠(HGB)改性钡酚醛树脂(PF)/高硅氧布复合材料,采用预浸料模压工艺制备了PF /高硅氧布/HGB复合材料层压板。研究了HGB含量对PF反应活性以及对PF/高硅氧布复合材料力学性能、线 膨胀系数的影响。结果表明,HGB的加入使体系活性降低;随着HGB含量增加,复合材料的力争胜能先提高再降低, 当HGB质量分数为5%时,PF/高硅氧布/HGB复合材料的综合力学性能最好,拉伸强度为81.6 MPa,压缩强度为 l10.5 MPa,弯曲强度为141 MPa,剪切强度为16.6 MPa,比PF/高硅氧布体系分别提高了12.86%,16.07%,21.50% 和7.80%;加入适量的HGB可提高体系的尺寸稳定性。复合材料断口形貌电镜分析表明,加入HGB会阻挡断裂裂 纹继续扩展,使裂纹方向发生偏移,从而使复合材料力争陛能提高。 关键词:酚醛树脂;空心玻璃微珠;高硅氧布;复合材料;力学性能 中图分类号:TQ327 文献标识码:A 文章编号:1001.3539(2013)12.0023.05 Mechanical Properties of Phenolic Resin/High Silica Cloth/Hollow Glass Bead Composites Zhang Lin,Liu Feng,Yang Changhong,He Xiling (xi’allAerospace Composite Materials Research Institute,Xi’an 710025,China) Abstract:High—strength hollow glass beads(HGB)was used to modify phenol formaldehyde resin(PF)/high silica cloth composite,and PF/high silica cloth/HGB composite laminates were prepared through molding process.The effects of HGB content on the reaction activity of PF,expansion coeficifent and mechanical properties of PF/high silica cloth composite were studied.The results show that the reaction activity of PF is decreased by adding HGB.With the increase of HGB content,mechanical properties of composite increase first and then decrease.When the content of HGB is 5%.the composite has best comprehensive mechanical properties.The tensile strength is 81.6 MPa,compressive strength is 110.5 MPa,flexural strength is 141 MPa,and shear strength is 16.6 MPa,which increase by 12.86%,16.07%,21.50%and 7.80%respectively than those ofPF/high silica cloth system.Certain content of HGB can increase the dimensional stabiliy of tcomposite.Fracture morphology SEM photograph show that HGB can stop the cracks expansion,change the crack direction,as a result the mechanical properties are improved. Keywords:phenolic resin;hollow glass beads;high silica cloth;composite;mechanical property 酚醛树脂(PF)/高硅氧布复合材料由于成本低 廉、防热耐烧蚀性能优良,作为功能烧蚀材料被广泛 应用于火箭和导弹的端头、发动机喷管扩散段等防 热部位[1],但由于其力学性能较低,限制了其进一步 使用。近年来,国内外对PF的共混改性研究较多, 如经纳米炭黑、蒙脱土、竹屑粉等[2-81填充后,其力 学性能有明显提高,但均以牺牲材料密度为代价,因 此采用质轻高强的改性材料,在不增加材料密度的 充于树脂基体,在降低体系密度的同时,可提高抗 压、抗冲击性能,消除产品内应力并确保尺寸稳定性 [9-14]。为此,笔者采用高强HGB对PF/高硅氧布进 行改性,制备PF/高硅氧布/HGB复合材料,研究 了HGB含量对PF树脂反应性能及对复合材料力 学性能的影响规律。 1实验部分 1.1主要原材料 前提下,使PF/高硅氧布复合材料力学性能得以改 善成为目前一个重要研究方向。 空心玻璃微珠(HGB)主要由二氧化硅和氧化 高硅氧布:SW220,斜纹,陕西华特玻璃纤维有 限公司; 联系人:张麟,硕士,工程师,主要从事树脂基复合材料应用研 究,以及固体火箭发动机喷管、扩张段等产品的成型工艺研究 收稿日期:2013-09—16 铝组成,内部充斥着CO,等气体。HGB粒径尺寸 在l~90 m,壁厚为1~2 rn。HGB可直接填 24 工程塑料应用 2013年,第4l卷,第12期 钡PF:北京玻璃钢院复合材料有限公司; HGB:H60,表面经偶联剂KH550处理,堆积 高,溶剂吸热挥发,并伴有PF中小分子释放出;温 度继续升高,曲线上出现明显的固化反应放热峰。 密度0.38 0.43 g/cm ,压缩强度55 MPa,粒径范 围2~85 um,中钢集团马鞍山矿山研究院有限公 司; 工业酒精:市售。 1.2主要仪器及设备 浸胶机:宽800 mm,工作温度80~110℃,沈 阳红旗机械厂; 液压机:Y/TD71—100A型,天津锻压机床厂; 差示量热扫描(DSC)仪:DSC204F1型,德国耐 驰公司; 万能试验机:Instron4505型,英国Instron公司; 热膨胀仪:DIL402C型,德国耐驰公司; 扫描电子显微镜(SEM):JSM-6460LV型,日 本电子株式会社。 1.3试样制备 先将一定比例的HGB缓慢加入到少量酒精溶 液中,使HGB润湿,再将上述溶液在搅拌状态下与 PF混合,用高速搅拌机分散均匀,然后倒人胶槽中, 采用浸胶机浸渍高硅氧布,制备出PF/高硅氧布/ HGB预浸料。将预浸料铺层后放人压机模压成型, 制成PF/高硅氧布/HGB复合材料层压板。固化 工艺如下:100℃/1 h+120 oC/2 h+165℃/2 h+ 自然降温。将成型的复合材料按照相关测试标准加 工成试样。 1.4性能测试与表征 (1)通过DSC仪对反应特性进行研究,升温速 率5,10,15,20oC/rain,测试温度为室温至270 ; (2)拉伸性能按GB/T 1447-2005测试,压缩 性能按GB/T 1448—2005测试,弯曲性能按GB/T 1449-2005测试,层间剪切性能按GB 1450.1-2005 测试; (3)热膨胀系数按Q/Gb 52A-2003测试,测试 温度为室温至300 ; (4)将弯曲试样、剪切试样破坏后的断口喷金后 用SEM进行表面形貌分析。 2结果与讨论 2.1反应特性 图1为不同HGB含量的PF/高硅氧布/HGB 体系的DSC曲线(升温速率l0 oC/min)。由图1 可以看出,树脂未达到固化温度之前,有杂乱的吸热 峰,这是由于体系中含有微量的溶剂,随着温度的升 随着HGB含量的增加,峰值温度向高温移动。 4O 8O 12O 16O 200 240 温度/℃ 图1不同HGB含量的PF/高硅氧布/HGB体系DSC曲线 通过对4种HGB含量的配方进行4个升温速 率的DSC测试,根据Kissinger方法,采用 外推 法确定的初始温度(TO、峰顶温度( )和终止温度 ( ,不同树脂配方的特征温度见表1。 表1 HGB/高硅氧布/PF体系的外推特征温度 根据Arrhenius公式可计算出改性体系的固化 动力学参数,结果见表2。从表2可以看出,未添加 HGB的体系活化能较低,反应活性较大,随着HGB 加入量的增多,体系活化能增加,反应活性逐渐降 低。其原因可能为HGB并不参与PF的固化反应, 体系中随着HGB加入量的增多,可反应的PF量逐 渐减少,从而导致改l生体系的反应活性逐渐降低。 表2 HGB/高硅氧布/PF体系的固化动力学参数” 注:I)E为活化能, 为频率因子, 为反应级数。 2.2复合材料的拉伸性能 图2示出HGB含量对复合材料拉伸性能的影 响。由图2可以看出,HGB的加入使复合材料的 拉伸强度、拉伸弹性模量略有提高。随着HGB含 量的增多,复合材料的拉伸强度和拉伸弹性模量 先增加后下降,HGB质量分数为5%时,复合材料 的拉伸强度和拉伸弹性模量分别达到81.60 MPa 和10.72 GPa,比未添加HGB的复合材料提高约 12.86%和17.67%。当HGB质量分数达到10%时, 拉伸强度和拉伸弹性模量与未加HGB时相比没有 张麟,等:PF/高硅氧布/HGB复合材料力学性能研究 27 (4)室温下HGB质量分数为5%的PF/高硅 development on the micro—and mesoscopic scale during the pyrolysis 氧布/HGB体系线膨胀系数为6.642×10~/K,比 未加HGB体系降低约l8.8%。 参考文献 [1]谭珏,郑裕东,匡松连,等.耐烧蚀硅基纤维布增强酚醛树脂复 合材料的高温氧化性能与力学性能[JJ.北京科技大学学报, 2012(6):677——682. 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