高温固化环氧/碳织物增强复合材料制备及性能研究

摘要

重载摩擦副是成形装备的关键部件之一，其性能在很大程度上影响设备的使用寿命和传动效率。近年来，摩擦副材料不断向高效节能、低碳环保的方向发展，钢背衬聚合物/碳纤维复合材料以比强度高、易于成型、污染少等优点，日益成为新型重载摩擦副材料的重要发展方向之一。
　　室温固化的环氧树脂配胶后储存期短、粘度大，胶液的浸润性较差，从而削弱了纤维与基体的界面结合强度。本文以聚合物基体为出发点，研究高温固化剂4-4'二氨基二苯甲烷(DDM)与环氧树脂E51的固化工艺，并添加端羧基液态丁腈橡胶(CTBN)对环氧树脂进行改性，探讨CTBN含量对树脂固化物力学性能的影响。结果表明:4-4'二氨基二苯甲烷与环氧树脂E51的固化台阶为100℃/2h+160℃/2h，按此条件固化，测得树脂基体性能:拉伸强度为88.7MPa，压缩强度为106.3MPa、弯曲强度为109.4MPa、粘接强度为12.45MPa、冲击强度为36.2KJ/m2。同时，添加20phr CTBN时固化物冲击强度显著增加，最高达到84.2KJ/m2，但压缩强度和弯曲强度有所降低。SEM观察到固化产物中有橡胶相析出并形成“海岛结构”，受外力作用时，这些孔洞可诱导产生屈服和塑性变形，从而达到增韧的目的。
　　为去除碳纤维原丝表面的上浆剂，增加纤维表面活性，分别采用丙酮浸泡、超声波清洗、气相高温处理等方法对碳纤维表面形貌、质量损失率、比表面积等进行对比研究，丙酮浸泡5day后纤维质量损失仅为2.98％，超声波清洗150min后纤维质量损失达5.25％，N2保护下1000℃高温处理60min后，纤维的比表面积由12.05m2/g增加到18.43m2/g，此时，SEM下纤维表面产生明显沟槽，去除程度最为彻底。
　　真空处理可促进小分子气体排出，有利于胶体向碳纤维丝束中进一步渗透，提高树脂与纤维的粘结性，本文分别探讨了真空处理对复合材料的力学性能和含胶量的影响，结果表明:纤维涂胶后在-101KPa压力下真空处理1h，制备的复合材料拉伸强度为563.6MPa，压缩强度为512.5MPa，分别提高18.9％、25.9％。热硫酸法分别测得未经处理和真空处理后的复合材料中树脂质量分数分别为22.09％和35.5％，SEM观察到真空处理后的CFRP中纤维受力均匀，断口平齐。
　　碳纤维层压板复合材料常因界面结合强度不足发生层间剪切破坏，针织物复合材料可从根本上避免此缺点。本文中采用手工编织法制备碳纤针织物，通过改变织物的线圈半径和线数对针织物性能进行研究，随线圈半径减小，线数增多，织物孔隙率降低，厚度不断增加。线圈半径1.5mm时，复合材料的拉伸强度为120.7Mpa，冲击强度为65.2KJ/m2。添加20％短切纤维后，冲击强度和拉伸强度分别提高26.4％和38.2％，观察拉伸断口SEM形貌，短切纤维主要分布在胶体中，并对基体性能起到强化作用。
　　复合材料中胶体∶润滑成分=8∶2时，研究了不同载荷、转速条件对摩擦性能的影响，结果表明:复合材料滑动摩擦系数μ随载荷增加先减小后增大，随转速增大不断减小并趋于稳定。低载时材料表面胶层与对偶件之间产生磨粒磨损，摩擦系数较大;重载时主要表现为粘着磨损，磨碎纤维和润滑成分粘附在对偶工件表面，起到一定润滑作用，摩擦系数下降为0.08。转速由150r/min增加到650r/min，碳纤维磨损量不断增加，磨屑润滑作用增强，摩擦系数下降14％。分别以AG-80、E51为基体制备碳纤维增强复合材料，探讨重载低速时树脂耐温性对摩擦学性能的影响，研究结果表明:摩擦温升导致聚合物分子链断裂并造成松弛现象，磨损量因此增加，耐温200℃左右的AG-80基复合材料仅为E51基复合材料磨损量的1/10。采用PTFE纤维与碳纤维混编，随PTFE含量增加，对偶件表面形成一定厚度PTFE转移膜，使得复合材料摩擦系数有所下降，材料表面PTFE含量为88％时，摩擦系数低至0.04。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究目的及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 环氧高温固化体系及改性研究

1．3．2 碳纤织物增强复合材料制备及处理方法

1．3．3 碳纤维增强树脂复合材料摩擦磨损研究

1．4 课题来源及主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 材料及实验方法

2．1 实验材料的制备

2．1．1 原材料

2．1．2 树脂胶体的制备

2．1．3 碳纤维复合材料的制备

2．1．4 试验仪器

2．2 机械性能测试

2．2．1 粘接剪切强度测试

2．2．2 拉伸强度测试

2．2．3 压缩强度测试

2．2．4 冲击强度测试

2．2．5 弯曲强度测试

2．2．6 碳纤维复合材料树脂含量测试

2．3 摩擦学性能测试

2．3．1 摩擦系数的测定

2．3．2 磨痕形貌扫描

2．4 物理性能测试与表征

2．4．1 玻璃化温度测定

2．4．2 热变形温度测定

2．4．3 傅利叶红外光谱测试

2．4．4 断口扫描电镜测试

2．4．5 纤维比表面积测试

2．4．6 纤维质量损失率测量

2．5 本章小结

第三章 高温固化环氧树脂胶体的研究

3．1 引言

3．2 DDM／环氧体系固化工艺的研究

3．2．1 DSC固化行为分析

3．2．2 红外光谱分析

3．3 液态丁腈橡胶增韧改性环氧树脂的研究

3．3．1 CTBN添加量对环氧树脂力学性能的影响

3．3．2 改性环氧树脂SEM形貌分析

3．4 树脂固化物玻璃化温度研究

3．5 本章小结

第四章 碳织物增强复合材料制备工艺的研究

4．1 引言

4．2 纤维表面除胶工艺

4．2．1 丙酮清洗法

4．2．2 气相氧化法

4．3 真空处理

4．3．1 真空处理对CFRP力学性能的影响

4．3．2 真空处理对CFRP含胶量的影响

4．4 针织物增强复合材料性能研究

4．4．1 线圈半径对针织物力学性能的影响

4．4．2 短切纤维增强针织物的性能研究

4．5 本章小结

第五章 碳织物复合材料摩擦学性能研究

5．1 引言

5．2 不同载荷转速下复合材料的摩擦磨损性能

5．2．1 载荷对CFRP摩擦性能的影响

5．2．2 转速对CFRP摩擦性能的影响

5．3 聚合物耐温性对CFRP摩擦磨损性能的影响

5．4 PTFE／CF混编结构对摩擦磨损性能的影响

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢