碳纤维/改性环氧乙烯基酯树脂复合材料海洋环境性能研究

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在船舶及海洋工程领域,复合材料应用越来越广泛,树脂基碳纤维增强复合材料,以其优秀的海洋环境性能,满足了船舶行业对材料低成本、高性能,以及自动化和整体化的要求,但是与此同时,基体树脂环氧乙烯基酯树脂与碳纤维的结合界面的性能交叉,树脂基体自身韧度不高,界面结合性能差等缺点,影响了复合材料整体的性能,因此有必要进行深入改性研究。本文选用互穿网络(IPN)聚合物增韧和刚性粒子增韧两种方法混合对环氧乙烯基酯树脂进行改性;互穿网络不仅可以增仍,还可以增强复材的界面,使复合材料力学性能能最大程度保留。刚性粒子掺杂入树脂,可以提高树脂的模量和强度,并且提升树脂在海洋环境的耐老化和耐腐蚀的性能;因此本文中选取的增韧剂分别为环氧树脂(TDE-85)以及纳米SiO2,进行两种方法的改性方法研究,制作树脂之后对比它们的力学性能,以及海水浸泡的性能等,对比两种方法的优劣性。对纳米SiO2改性树脂进行表征,通过对比力学性能测试,选定1%添加量进行后续复合材料的制备,此时的树脂浇注体的拉伸强度为72MPa,断裂延伸率为2.8%,压缩强度为109MPa,压缩模量为3.18GPa,弯曲强度为151MPa。TDE85型IPNs体系的性能会随着环氧树脂含量的增加逐渐减缓,直到略微下降。强度增长比较明显,提升幅度高于纳米颗粒改性。通过对比力学性能测试,本文选用TDE85树脂含量为23%的配方做为制备复材配方,此时混合树脂浇注体的拉伸强度、压缩强度以及弯曲强度分别为83.22MPa、124MPa、143.2MPa,压缩模量为3.68GPa、断裂延伸率为4.12%。通过扫描电镜对树脂断口进行分析,发现TDE85改性树脂断口出现韧窝,纳米SiO2改性树脂出现银纹,两者都呈现韧性断裂。对树脂浇注体进行海水浸泡实验最终发现经过TDE85改性的树脂海水中吸水率明显降低,而纳米颗粒改性的树脂吸水率最低纳米SiO2加入降低了树脂的吸水率,而且能起到防止海水进入树脂内部侵蚀树脂内部结构的作用。使用上述树脂配方和工艺进行复合材料层合板的制备。纳米SiO2改性树脂制备的层合板拉伸强度为553.3MPa,提升了10.4%。TDE85改性树脂层合板拉伸强度为600MPa,提升了19.7%。纳米SiO2改性层合板的压缩强度为249MPa,提升了38.3%,TDE85改性层合板的压缩强度为370MPa,提升了105.6%。纳米SiO2改性层合板的弯曲强度为519MPa,提升了12.8%,TDE85改性层合板的弯曲强度为692MPa,提升了50.4%,纳米SiO2改性层合板的层间剪切强度为38MPa,提升了35.7%,TDE85改性层合板的层间剪切强度为47MPa,提升了67.9%。并且进行了复合材料层合板的海水浸泡实验。在60℃的条件下,分别浸泡了25天和50天对复材层合板进行老化试验,最终得出结论,两种改性方法中,TDE85改性层合板力学性能最高但是强度保留率降低,纳米SiO2强度高于未改性层合板,而且强度保留率也高于TDE85改性树脂。对复合材料试件进行扫描电镜的纤维表征。TDE85改性之后结合性能变好,界面强度变高,纤维拔出减少,而纳米颗粒改性的层合板主要是靠增强树脂而改善层合板整体性能。
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