混杂纤维增强环氧树脂基复合材料的制备及性能研究

摘要

混杂纤维增强环氧树脂基复合材料是一种具有高拉伸强度、高弯曲强度以及较好机械强度的综合性能优异的新型复合材料。而碳纤维、玻璃纤维是应用于增强环氧树脂最为广泛的两种纤维，一方面碳纤维具有较高的杨氏模量、密度低、热膨胀系数小、耐腐蚀性好等优异性能；另一方面虽然玻璃纤维的参数较碳纤维差，但是其延展性较好。将碳纤维、玻璃纤维以体积比为1:1 的比例，以不同的混杂结构去增强环氧树脂，可以制备出具有不同性能的复合材料，以应用于不同需求的环境中。碳纤维、玻璃纤维不同方式的混杂，在一定程度上会降低复合材料的生产成本，进一步扩展混杂纤维增强环氧树脂基复合材料的应用范围。 本文通过对环氧树脂基体中添加聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、氯化石蜡（CP）系统的探索了 PVB 对环氧树脂的增韧效果，以改善复合材料脆性这一缺陷，并确定PVB 的添加量为树脂基体质量分数的3%；添加CP主要是改善树脂基体的阻燃性能，使复合材料应用范围更为广泛，综合各方面性能对比，最终确定CP 的添加量为树脂基体质量分数的10%。采用万能试验机对复合材料进行力学性能测试，采取扫描电镜（SEM）对复合材料的微观构造进行表征。 利用对环氧树脂的改性得到的参数，采用拟拉-挤成型工艺制备了具有不同混杂结构的混杂纤维增强环氧树脂复合材料，混杂复合材料中碳纤维与玻璃纤维的体积比为 1:1。通过对复合材料力学性能的测试，考察了同心混杂、层内混杂、层间混杂共7种混杂结构对复合材料性能的影响。拉伸、弯曲、剪切结果显示：7种结构的拉伸强度差别不大，基本上介于碳纤维增强环氧树脂复合材料和玻璃纤维增强环氧树脂复合材料拉伸强度之间；而层间混杂结构一层碳纤维一层玻璃纤维具有最高的弯曲强度；层内结构具有较高的剪切强度。 与此同时，对复合材料进行了在不同化学介质中的浸泡实验，测定了复合材料的吸水率，结果显示：在蒸馏水、NaCl水溶液具有相似的吸湿特性；在H2SO4水溶液中会出现吸水率先增大后减小最后趋于平衡的现象；由于NaOH水溶液对环氧树脂的腐蚀作用，复合材料吸湿特性出现了较大的变化。 将实验室中测出的参数用于河南能源化工集团商丘国龙新材料有限公司连续纤维增强树脂基锚杆生产线进行中试实验，并将样品送至专业检测机构，检测结果均符合国家标准。产品荣获安标国家矿用产品安全标志中心颁发的《矿用产品安全标志证书》。

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