玻璃微珠/环氧轻质复合材料的制备及力学性能预报

摘要

近年来，空心玻璃微珠/环氧轻质复合材料由于具有比重轻、强度高等特点，已经越来越多地应用于航空航天和海洋探测等领域。其力学性能往往是人们关注的重点，但复合材料的力学性能是由其细观参数决定的。因此，从细观层次建立该材料体系的力学性能预报模型具有重要的意义。
　　 本文利用硅烷偶联剂改性过的玻璃微珠填充E-51环氧树脂，并以594为固化剂，采用浇注工艺制备了不同玻璃微珠填量的复合材料样品。利用万能试验机和扫描电子显微镜(SEM)等测试技术，系统地研究了复合材料的压缩性能及破坏机制等性能。同时，利用微分法和有限元法分别对复合材料的弹性性能和强度进行了预报，给出了准确的预报模型。研究结果表明，随着微珠填量的增大，复合材料的密度逐渐减小，气孔率升高；微珠的加入降低了复合材料的强度，但模量得到了提高。同时，复合材料的压缩破坏机制与微珠的体积分数有关，微珠体积分数55％以下的材料表现为树脂基体的剪切破坏，破坏面与载荷方向成45°；微珠体积分数大于55%时，复合材料的破坏是环氧树脂基体的剪切破坏和微珠压碎的综合结果。利用微分法推导了复合材料弹性性能预报模型，该模型适合于微珠含量低于63%的复合材料弹性性能预报。计算结果表明：该模型的计算值与实验值很接近，误差在10%之内，能准确预报复合材料的弹性模量。利用ANSYS程序分析了玻璃微珠/环氧轻质复合材料单胞模型的应力分布情况，结果表明：复合材料内部出现了严重的应力集中，微珠上的最大应力超过外载荷值的10倍。结合应力分布云图，分析了不同微珠含量复合材料的强度，与实验值吻合较好，四组样品中最大误差为10.2%。通过本文的研究，建立了玻璃微珠/环氧轻质复合材料弹性性能和强度的预报模型，在一定程度上揭示该类复合材料的宏观力学性能与细观结构的关系，能为复合材料的体系设计及力学表征提供指导。