环氧树脂界面性能的影响(上海精宏DZF-6050使用)

０ 引 言

碳纤维增强树脂基复合材料具有比强度和比刚度 高、抗疲劳性好等优点广泛应用于轻型结构中的主承 力结构，特别是在航空、航天、汽车、船舶以及能源等领域。对于碳纤维增强树脂基复合材料，界面是增强 纤维与树脂基体粘接的微观过渡区域，载荷通 过 界 面 在增强纤维与树脂基体之间进行传递。因此，当复 合材料暴露在环境条件下，界面的性能演化将 直 接 影 响其复合 材 料 的 整 体 宏 观 机 械 性 能，如 层 间 剪 切 强 度，耐冲击性能等。

１ 实 验

１．１ 原材料

１．１．１ 原材料

碳纤维，Ｔ３００Ｂ（３Ｋ），未上桨，日本东丽公司；双酚 Ａ 型 环 氧 树 脂，牌 号 ＷＳＲ６１８，上 海奥 屯 化 工 科 技 公 司，工业级；多元胺固化剂，牌号５９３，上海奥屯化工科 技公司，工业级；水性上浆剂，牌号 ＥＰ８７６，麦可门化工 贸易有限公司，工业级；导电银胶，牌号 ＹＣ－０１，南京喜 力特胶粘剂公司；脱模剂，牌号 ＨＤ－９１８－１，上海东恒化 工有限公司。

１．１．２ 设备

ＺＹＭＣ－２００Ｖ 型非介 入 式 材 料 均 质 机，深 圳 中 毅 科技有限公司；上海精宏DZF-6050型真空干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；Ｂ２９０１Ａ 型 精 密型电源测量设备， Ｋｅｙｓｉｇｈｔ（中国）有限公司；２０４ＨＰ型差式扫描量热仪 （ＤＳＣ），德 国 ＮＥＴＺＳＣＨ 公 司；Ｓｐｅｃｔｒｕｍ１００ 型 傅立 叶红 外 光 谱 仪 （ＦＴ－ＩＲ），美 国 Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ 公 司； ＰＨ１５０００ＶｅｒｓａＰｒｏｂ型 Ｘ 射 线光 电 子 能 谱 仪（ＸＰＳ）， 日本 ＵＬＶＡＣ－ＰＨＩ公司；ＱｕａｎｔａＦＥＧ２５０型扫描电子 显微镜（ＳＥＭ），美 国 ＦＥＩ公 司；复合 材 料 单 丝 断 裂 试 验机，自制。 

１．２ 实验过程

１．２．１ 碳纤维上浆及界面组分混合试样的制备

选用麦可 门 公 司 的 ＥＰ８７６上 浆剂对碳纤维进行 上浆处理。将上浆剂和去离子水按质量比１∶１０的比 例进行充分混合，制备成上浆液。碳纤 维 束 丝 浸 润 上 浆剂后放置在环境箱中，在１３０ ℃下烘干１ｈ，冷却后 得到上浆碳纤维试样。

１．２．２ 碳纤维／环氧树脂界面组分的制备碳纤维／环氧树脂的界面组分

主 要 是 由 上 浆 剂 和 环氧树脂相互扩散后形成的固化产物组成的，其 组 分 不同于上浆剂，也不同于环氧树脂。本 文 将 上 浆 剂 和 Ｅ５１环氧树脂按１∶１（质量比）混合均匀，按照比例加 入固化剂后于７０℃下固化９ｈ，模拟碳纤维／环氧树脂 复合材料界面组分，以下简称界面组分。

１．２．３ 碳纤维单丝／环氧树脂复合试样的制备

在模具表面均匀涂抹一层 脱 模 剂，并 将 铜 电 极 固 定在模具凹槽的两端，然后将碳纤维单丝固定在模具 凹槽的中 心 位 置。使 用 导 电 银 胶 将 纤 维 与 铜 电 极 连 通，导电银胶固化制度为８０ ℃下保温２ｈ。将环氧树 脂和固化剂按５∶１（质量比）混合后放入材料均质机 进行脱泡后 浇 注 到 模 具 中，固 化 工 艺 为７０ ℃下 保温 ９ｈ，待模具冷却至室温后脱模得到如图１（ａ）所示的试 样，试样尺寸见图１（ｂ）。

１．２．４ 电热作用实验

使用 Ｋｅｙｓｉｇｈｔ公司的Ｂ２９０１Ａ 型精密电源对碳纤 维单丝／环氧树脂复合试样进行直流电流加载，电流大 小为０～８ｍＡ，通电时长为１ｈ。

１．３ 性能测试及表征

１．３．１ 界面组分的性能测试

采用ＳＥＭ 观察碳纤维丝束上浆前以及上浆后电 热作用下的表面形貌；采用 ＦＴ－ＩＲ 及 智能 化 ＡＴＲ 附 件对碳纤维／环氧树脂复合材料界面组分混合体系样 品进行红外光谱测试，波数范围为５００～４０００ｃｍ－１， 分辨率为０．４ｃｍ－１；采用 ＸＰＳ对 碳纤 维／环 氧 树 脂 复 合材料界面组分混合体系样品进行化学结构 的 分 析； 采用 ＤＳＣ对碳纤维／环氧树脂复合材料树脂基体和界 面组分混合体系样品进行测试，测试条件：氮气流速为 ２０ｍＬ／ｍｉｎ，升温速率为２０ ℃／ｍｉｎ，温度区间为２５～ ３００ ℃，样品质量为５～１０ｍｇ。

１．３．２ 碳纤维单丝／环氧树脂复合材料的界面剪切强度测试

采用自主研制的复合材料单丝断裂试验机对碳纤 维单丝／环氧树脂复合试样进行界面剪切性能测试，加 载速率为１．０μｍ／ｓ。拉伸过程中，载荷通过界面由树 脂基体传递给纤维，树脂基体与碳纤维断裂伸 长 率 的 差异会导致纤维率先发生断裂。纤维断裂处由树脂塑 性形变而产生的折射现象可通过偏光显微镜进行观 察，并以此来记录纤维断裂达到饱和时的断裂点数以 及断点处 形 貌，依 据 Ｋｅｌｌｙ－Ｔｙｓｏｎ模型计算界面剪切强度。

２ 结果和讨论

可以看出，随着电流的升高，界面组 分的玻璃化转变温度呈现出先升后降的趋势，即 在０ ～６ ｍＡ 范 围内，界面组分的玻璃化转变温度随着电 流强度的提升而升高，而当电流超过６ｍＡ 后，界面组 分的玻璃化转变温度发生了下降。可能是因为当电流 强度在０～６ｍＡ 时，界 面组 分 发 生 了 后 固 化 现 象，引 起界面组分玻璃化转变温度升高；而当电流强 度 超 过 ６ｍＡ 时，较 高电流产生的大量焦耳热会引发化学老 化，界面组分化学链的断裂及由此造成的交联密度的 下降开始表现出来，因而玻璃化转变温度下降。为考察电热作用下界面组 分 化 学 基 团 变 化 情 况， 将界面组分在０～８ｍＡ 电流对应的界面温度下处理 后进行红外光谱测试。不同强度电流下界面组分的红外谱图整体上差 别不大，有部分特征峰的强弱发生了变化，说明了相应 官能团的相对浓度发生了变化，也有新的谱峰产生，其 中８ｍＡ 电流下对应的红外光谱在１７３１ｃｍ－１处生成 了新的峰，这可能是高温环境导致界面组分大分子链 断裂而生成的酯基特征峰。

３ 结 论

（１） 电热作用对碳纤维单丝／环氧树脂复合材料 界面性能有较大影响。随着电流强度 的 增 加，碳 纤 维 表面温度不断升高，碳纤维单丝／环氧树脂复合材料的界面剪切强度呈先升后降的趋势。
（２） ＳＥＭ 测 试结 果 表 明，较 低 强 度 电 流 对 碳 纤 维的表 面 形 貌 无 明 显 影 响，当电流强度增大到６ ｍＡ 以上时，碳纤维表面开始出现浆料的物理分裂和高温 裂解现象。
（３） ＤＳＣ测试结果表明，碳纤维／环氧树脂复合 材料界面组分的 Ｔｇ 受电热作用影响显著。电流强度 在０～６ ｍＡ 范 围内，界面组分发生后固化和物理老 化，促使Ｔｇ 逐步升高；电流强度超过６ｍＡ，界面组分 发生化学老化，Ｔｇ 逐渐下降。
（４） ＦＴ－ＩＲ分 析结 果 表 明，电热作用对碳纤维／ 环氧树脂复合材料界面组分化学结构有较大影响。当 电流强度达到７ｍＡ 以 上时，脂肪醚键相对浓度明显下降，证明界面组分聚合物大分子链发生破坏。
（５） ＸＰＳ测试结果表明，电热作用下界面组分中 醚键的含量先增后 减，电 流 强 度 在０～６ ｍＡ 时，醚 键 含量增加属后固化反应，６ ｍＡ 以 后醚 键 含 量 降 低 是 由脂肪醚发生分解造成的，测试结果与红外光 谱 的 结 果保持一致。



 

免责声明：文章仅供学习和交流，如涉及作品版权问题需要我方删除，请联系我们，我们会在第一时间进行处理。