形状记忆环氧树脂复合材料性能表征及其损伤研究

摘要

形状记忆环氧树脂复合材料是空间结构技术领域关注的研究课题。本文通过对环氧树脂体系的设计，得到了具有温感型形状记忆特性的可二次固化型环氧树脂体系，并以此为基体通过Kevlar纤维和碳纤维对其增强，制备形状记忆环氧树脂复合材料。研究了形状记忆环氧树脂基体及其复合材料的形状记忆特性、力学性能和损伤效应。
　　制备了形状记忆环氧树脂体系(EM)、二次固化型体系(EMB)。对两体系进行红外光谱、差热分析、动态力学分析研究，结果表明：树脂体系未达到理论固化度；随固化度增加，EM体系玻璃化转变温度(Tg)升高；二次固化后树脂体系Tg平均提高35℃；二次固化前，二次固化剂在EMB体系中较稳定；EM70体系能在较低的温度下达到高弹性区，形状记忆性能较优。
　　测试EM、EMB体系的形状固定率、形状回复率、形状回复时间及拉伸力学性能。结果表明：EM、EMB体系形状固定率均在98％以上；形状回复率均在95%以上，复合形状记忆材料的要求；形状回复时间随固化度增强而增加；二次固化剂对EM体系形状记忆性能影响不大；EM体系拉伸力学强度随固化度增加而增加；二次固化后力学强度提高约1倍；树脂体系均为脆性断裂。
　　制备了以EM70树脂体系为基体、Kevlar纤维和碳纤维增强环氧树脂复合材料，表征了不同纤维种类、纤维含量的复合材料形状固定率、形状回复率及形状回复时间。结果表明：相同纤维含量Kevlar增强复合材料形状固定率大于碳纤维复合材料；随纤维含量增加，两类复合材料的形状固定率和形状回复率下降，形状回复时间减少。70K20体系形状记忆效应最优。
　　拉伸试验和三点弯曲测试表明：随纤维含量的增加，复合材料的拉伸强度及弯曲强度均升高。复合材料拉伸性能主要由纤维控制，弯曲性能主要由树脂控制。
　　损伤试验表明：70K20复合材料在热循环反复折叠后，形状固定率和形状回复率降低，形变回复时间增加；拉伸强度和弯曲强度呈总体下降趋势。
　　通过粘弹力学模型模拟了EM70的形状回复率，结果表明：该模型能较好反应树脂体系形状回复率变化趋势，但与试验值有差别。

目录

形状记忆环氧树脂复合材料性能表征及其损伤研究

CHARACTERIZATION OF SHAPE MEMORY EPOXY RESIN COMPOSITE AND INVESTIGATION OF DAMAGE

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 形状记忆复合材料研究现状

1.2.1 形状记忆聚合物与模型

1.2.2 形状记忆环氧树脂

1.2.3 形状记忆环氧树脂复合材料

1.3 形状记忆复合材料在空间展开结构中应用现状

1.3.1 空间结构形状记忆复合材料的应用

1.3.2 存在的问题

1.4 主要研究内容

第2章 材料及试验方法

2.1 试验药品和仪器

2.1.1 主要试验用药品

2.1.2 主要试验用仪器

2.2 形状记忆环氧树脂体系制备

2.2.1 配方设计

2.2.2 配制及固化过程

2.3 形状记忆环氧树脂复合材料制备

2.4 试验方法

2.4.1 红外光谱分析(FTIR)

2.4.2 差示扫描量热法分析(DSC)

2.4.3 动态力学性能分析(DMA)

2.4.4 形状记忆性能表征(SMPA)

2.4.5 力学性能分析

2.4.6 热循环试验

2.4.7 扫描电镜分析(SEM)

第3章 形状记忆环氧树脂性能研究

3.1 前言

3.2 形状记忆环氧树脂(研究)分析

3.2.1 形状记忆环氧树脂的结构

3.2.2 环氧树脂体系的FTIR分析

3.2.3 环氧树脂体系的DSC分析

3.2.4 环氧树脂体系的差热分析(DTA)

3.2.5 环氧树脂体系的DMA分析

3.3 环氧树脂的形状记忆性能研究

3.3.1 形状固定率

3.3.2 形状回复率

3.3.3 形状回复速率

3.4 环氧树脂的拉伸性能研究

3.5 本章小结

第4章 形状记忆环氧树脂复合材料性能研究

4.1 前言

4.2 复合材料的形状记忆性能研究

4.2.1 形状固定率

4.2.2 形状回复率

4.2.3 形状回复速率

4.2.4 折叠次数对形状记忆性能影响

4.2.5 Tg以下回复情况

4.3 形状记忆复合材料的力学性能研究

4.3.1 拉伸性能研究

4.3.2 弯曲性能研究

4.4 复合材料的热循环效应

4.4.1 形状记忆特性

4.4.2 拉伸力学性能

4.4.3 弯曲力学性能

4.5 本章小结

第5章 环氧树脂形状记忆模型

5.1 前言

5.2 形状记忆热力学模型

5.3 形状记忆粘弹力学模型

5.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢