核-壳粒子增韧环氧胶黏剂/复合材料制备及性能研究

摘要

复合材料越来越多的应用在直升机结构件中，如何在常温下快速修理直升机用复合材料结构件已成为军民各行业的研究重点。环氧树脂胶黏剂作为最常用的复合材料胶接修理手段，对其的改性工作仍在不断进行，同时为了保障修理用原材料供应链的安全性，研发制备国产高性能常温胶黏剂势在必行。因此本文研制了一种新的核壳粒子增韧剂用于环氧树脂的改性，并研究了改性后的环氧树脂胶黏剂在复合材料构件上的应用，主要研究内容如下:
　　以脲醛树脂预聚物和环氧化天然橡胶乳液为原料，通过原位沉淀法将脲醛树脂包裹于环氧化天然橡胶(ENR)乳胶粒子表面形成了一种新的脲醛树脂/环氧化天然橡胶(E-CSPs)核壳粒子。研究表明核壳比为2∶1时制备的核壳粒子是适合在工程上应用的白色粉末，核壳粒子外观为球形，粒径分布在82-1076nm，壳厚21nm。以核壳粒子为增韧剂制备了核壳粒子增韧环氧树脂胶粘剂(J-352)，研究表明优化后的环氧树脂主体体系组成为有机硅改性环氧树脂、E51、AFG90、694稀释剂的比例为25∶10∶50∶15。同时研究结果揭示端氨基有机硅预聚物的结构影响有机硅改性环氧树脂的耐热性和粘接性能，R/Si=1.4，Me/Ph=1.5，预聚物用量为20份时有机硅改性环氧树脂剪切强度高，耐温性好。力学测试结果显示核壳粒子增韧剂的加入使环氧树脂胶粘剂的冲击强度增大。核壳粒子增韧环氧树脂胶黏剂的粘度在1.5h内稳定在4.4Pa·s，可实现环氧树脂胶粘剂对纤维的良好浸润，胶粘剂初始分解温度在342℃左右，800℃对应最终残炭率为11.3％，耐热性较好。
　　以核壳粒子增韧环氧树脂胶黏剂J-352和进口的EA9396胶常温浸润干碳布和干玻璃布，对比研究两种胶黏剂的性能。研究表明干碳布浸J-352胶制备的制件相对于浸EA9396来说树脂含量高，纤维体积含量低，孔隙率更低，而干玻璃布浸两种胶后树脂和纤维体积含量以及孔隙率相差不大。DMA研究结果显示干碳布和干玻璃布浸J-352制成的复合材料的Tg均接近80℃，高于浸EA9396的Tg，而且浸EA9396胶的制件存在后固化现象。力学性能测试结果表明，浸J-352胶黏剂的制件的拉伸、压缩各项力学性能指标全面优于浸EA9396的制件，因此J-352胶黏剂更适合在复合材料修理领域推广使用。
　　对J-352胶黏剂用于复合材料层合板表面划伤和内部分层缺陷修理的可行性进行了研究，针对复合材料层合板修理建立了一种新的有限元模拟方法。模拟和实验结果揭示:常温下采用J-352胶黏剂修理的有缺陷的层合板的剩余强度高于80％，修理效果满足要求。与EA9396胶黏剂比J-352胶黏剂的修理效果更好。实验结果与模拟结果吻合，这表明建立的修理模型有效。此外还通过SEM对断口进行了观察，判断其失效模式并研究微观断裂机理。
　　采用以上有限元模拟方法建立了完好的和常温挖补修理的T字梁模型，研究结果表明经常温胶黏剂J-352修理后的T字梁的力学性能可以达到使用要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 直升机复合材料应用概况

1．2 复合材料用胶黏剂的研究现状

1．2．1 基体用胶黏剂的研究现状

1．2．2 复合材料修理用环氧胶黏剂分类及修理效果影响因素

1．3 复合材料修理介绍

1．3．1 复合材料结构典型缺陷形式

1．3．2 复合材料分层缺陷的修理方法

1．3．3 复合材料结构修理国内外研究进展

1．4 本论文的主要研究内容及创新之处

第2章 实验方案及研究方法

2．1．2 核-壳粒子增韧环氧树脂胶黏剂的合成

2．1．3 表征方法

2．2 胶黏剂浸润干碳布／干玻璃布复合材料的制备及表征

2．2．1 实验原料

2．2．2 胶黏剂浸润干碳布／干玻璃布复合材料的制备

2．2．3 表征方法

2．3 本章小结

第3章 核-壳粒子增韧环氧树脂胶黏剂合成及表征

3．1 前言

3．2 核壳比例对核壳粒子外观形态的影响

3．3 核壳粒子的形貌与微观结构分析

3．4 核壳粒子的物理性能分析

3．4．1 核壳粒子的红外表征

3．4．2 核壳粒子的DSC分析

3．4．3 核壳粒子的热分解行为

3．5 有机硅改性环氧树脂的结构与性能表征

3．5．1 有机硅改性的环氧树脂的红外分析

3．5．2 不同反应时间对有机硅改性环氧树脂的影响

3．5．3 有机硅预聚物结构对粘接性能的影响

3．5．4 有机硅预聚物用量对粘接性能的影响

3．6 核壳增韧环氧树脂胶黏剂体系组成及性能

3．6．1 核壳粒子对环氧胶粘剂固化过程的影响

3．6．2 核壳粒子对体系耐温性能的影响

3．6．3 核壳粒子增韧环氧树脂的力学性能

3．6．4 核壳粒子增韧环氧树脂的微观形态

3．6．5 核壳粒子增韧环氧树脂的流变性能

3．6．6 核壳粒子增韧环氧树脂固化物的热重分析

3．7 本章小结

第4章 J-352胶黏剂浸润干碳布／干玻璃布制备的复合材料研究

4．1 前言

4．2 补片物理性能分析

4．2．1 材料密度

4．2．2 组分含量及孔隙率

4．2．3 玻璃化转变温度

4．3 补片力学性能分析

4．3．1 拉伸力学性能

4．3．2 压缩力学性能

4．4 本章小结

第5章 复合材料层压板结构修理及仿真分析

5．1 前言

5．2 损伤修理设计及有限元建模参数

5．2．1 几何参数

5．2．2 载荷参数

5．2．3 材料性能参数

5．2．4 铺层及修补参数

5．3 试验件制备及力学性能测试

5．4 拉伸实验结果

5．4．1 拉伸模型有限元计算

5．4．2 层合板拉伸实验结果与断口分析

5．5 压缩实验结果

5．5．1 压缩模型有限元计算

5．5．2 层合板压缩实验结果与断口分析

5．6 剪切强度计算

5．6．1 剪切模型有限元计算

5．6．2 剪切实验结果与断口分析

5．7 本章小结

第6章 基于J-352胶黏剂的复合材料T字梁腹板常温修理效果预测

6．1 前言

6．2 完好T字梁分析

6．3 T字梁常温挖补修理结果预测分析

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢