【摘要】：針對樹脂基復(fù)合材料容易發(fā)生老化和在交變應(yīng)力場合下表面易產(chǎn)生微裂紋,導(dǎo)致材料性能的劣化,縮短使用壽命的問題,本論文以環(huán)氧樹脂為研究對象,選取鋁粉為增強(qiáng)材料,制備了鋁粉增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,利用鋁粉的第二相增強(qiáng)作用以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能;利用裂紋遇到鋁粉會產(chǎn)生應(yīng)力發(fā)散的現(xiàn)象,阻礙已萌生的微裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展;利用金屬鋁對水分子的屏蔽作用,增強(qiáng)復(fù)合材料對水分子的阻隔性、降低樹脂內(nèi)部羥基對水分子的吸收性;利用鋁粉遇水或空氣氧化發(fā)生體積膨脹的功能,填補(bǔ)微裂紋的空穴,堵塞裂紋形成的水?dāng)U散通道,減緩水的擴(kuò)散和濕熱老化;通過鋁對紫外光的高反射性,減少樹脂基體對環(huán)境中紫外線的吸收率,使環(huán)氧樹脂復(fù)合材料同時具備耐濕熱老化和抗紫外老化的性能;并對鋁粉/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面進(jìn)行改性,進(jìn)一步提高其綜合性能,使樹脂不易產(chǎn)生微裂紋,制備出一種強(qiáng)度高、耐濕熱老化和紫外老化的新型環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。本論文首先在氬氣保護(hù)下用電弧噴涂的方法制備出表面含氧量較低的鋁粉,將制備出的鋁粉添加至環(huán)氧樹脂中探索鋁粉對環(huán)氧樹脂力學(xué)性能、耐濕熱老化和抗紫外老化性能的影響。在鋁粉可同時提高復(fù)合材料力學(xué)性能和老化性能的基礎(chǔ)上,改變顆粒尺寸和形狀,探討了鋁粉形貌對復(fù)合材料性能的影響。再對鋁進(jìn)行表面處理,進(jìn)一步提高鋁粉/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能,最后結(jié)合試驗(yàn)中樹脂基難以現(xiàn)場評價的問題,提出了電阻法評價樹脂老化程度的方法。本論文通過研究得出以下結(jié)論:(1)在環(huán)氧樹脂中添加電弧噴涂鋁粉可有效提高復(fù)合材料對沖擊力的吸收能力,鋁粉顆粒對沖擊力有發(fā)散作用,并改變沖擊力的方向,使其表面在低能量沖擊下難以形成貫穿型的長裂紋,提高了環(huán)氧樹脂表面抗裂紋擴(kuò)展的能力和力學(xué)性能。當(dāng)鋁粉的添加量為6 wt.%時,復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳,拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值,分別為45.1MPa和94.6MPa,磨損率及平均摩擦系數(shù)則達(dá)到最低值,分別為7.52x1 0-13m3N-1m-1和0.314。其次環(huán)氧樹脂中加入電弧噴涂鋁粉也提高了復(fù)合材料對環(huán)境中水分子的阻隔性,使水分子在復(fù)合材料中的擴(kuò)散系數(shù)和樹脂的飽和吸水率降低,并使復(fù)合材料在濕熱老化后的力學(xué)性能損失率降低,其中添加6 wt.%電弧噴涂鋁粉復(fù)合材料的耐濕熱老化性能最佳,老化后的拉伸和彎曲強(qiáng)度損失率最低,分別為9.3%和9.6%,與純環(huán)氧樹脂材料相比分別降低了49.2%、43.5%。鋁粉還對紫外光有反射作用,可有效提高復(fù)合材料抗紫外老化性能,老化后復(fù)合材料的黃變值和強(qiáng)度損失率隨鋁粉添加量的增加逐漸減小,當(dāng)電弧噴涂鋁粉的添加量為10 wt.%時,復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度的損失率最小,分別為7.9%和9.2%。與純環(huán)氧樹脂材料相比分別降低了64.1%、65.4%。(2)采用尺寸更小的球狀鋁粉和片狀鋁粉增強(qiáng)環(huán)氧樹脂后,復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐濕熱老化性和抗紫外老化性均明顯優(yōu)于自制較大粒徑的電弧噴涂鋁粉增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。球狀鋁粉改性后的力學(xué)性能增強(qiáng)效果優(yōu)于片狀鋁粉,在球狀鋁粉添加量為6wt.%時,拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別達(dá)到64.5 MPa和177.1 MPa;磨損性能磨損率降至4.71 × 10-13m3·N-1·m-1,平均摩擦系數(shù)為0.338。片狀鋁粉的改性后復(fù)合材料的耐濕熱老化性能要優(yōu)于球狀鋁粉,片狀鋁粉添加量為3 wt.%時擴(kuò)散系數(shù)和飽和吸水率最小分別為1.98× 10-6m2/s和3.29%,老化后的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度損失率分別為6.3%和9.0%,分別比純環(huán)氧樹脂降低了65.6%和47.1%,此時的磨損率為8.03× 10-13m3·N-1·m-1。片狀鋁粉改性后的抗紫外老化性能也要優(yōu)于球狀鋁粉,紫外光照100天后添加4 wt.%片狀鋁粉的復(fù)合材料黃變值從純環(huán)氧樹脂的+24.7降至+1.13,老化后的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度損失率分別為6.0%和8.6%,磨損率為1.11×10-12m3·N1·m-1。(3)環(huán)氧樹脂損傷后,其飽和吸水率增大,擴(kuò)散系數(shù)增大,利用疲勞沖擊法對環(huán)氧樹脂進(jìn)行損傷,損傷面積為試樣的0.1%,其環(huán)氧樹脂的吸水率提高了41.2%,添加鋁粉后,制備的鋁/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料損傷后飽和吸水率基本不變,僅是到達(dá)飽和吸水率的時間比未損傷的短,添加球狀鋁粉的復(fù)合材料擴(kuò)散系數(shù)比未損傷時提高了37.2%,添加片狀鋁粉時僅提高了28.8%。鋁粉的體積膨脹可以有效的填補(bǔ)損傷裂紋處的縫隙,相同質(zhì)量的鋁粉,片狀比球狀鋁粉比表面積大,氧化后體積增加多,填補(bǔ)效果好,使其對損傷的環(huán)氧樹脂材料擴(kuò)散系數(shù)影響小。通過計(jì)算得出鋁粉粒徑為1 μm時,氧化后體積膨脹率約為3%,故制備出的復(fù)合材料只能對納米級的微裂紋起到彌合作用,對較大的裂紋無彌合作用。(4)選取硅烷、鈦酸酯和鋁酸酯三種偶聯(lián)劑對鋁與環(huán)氧樹脂間的界面進(jìn)行增強(qiáng),其中硅烷偶聯(lián)劑的改性效果最佳界面剪切強(qiáng)度為13.94MPa,鋁酸酯偶聯(lián)劑改性后的界面剪切強(qiáng)度為10.12MPa,分別比未改性時的界面強(qiáng)度7.55MPa提高了84.6%和34.0%;鈦酸酯偶聯(lián)劑對環(huán)氧樹脂與鋁粉界面沒有改性效果。改性后的界面耐濕熱老化性較差,老化后的界面強(qiáng)度發(fā)生明顯降低分別為5.77 MPa、5.59MPa和5.61MPa;改性后的復(fù)合材料界面抗紫外性差,紫外老化后的剪切強(qiáng)度均大幅度降低,分別為2.81 MPa、2.71 MPa和2.78 MPa。(5)碳纖維的導(dǎo)電性不會受到水分子的影響。由碳纖維制成的板材橫向電阻值會隨著板材吸水量的增加而增加,且成對數(shù)關(guān)系,擬合后的電阻率與環(huán)氧樹脂吸水率方程為y=4.59log10x-6.11,擬合系數(shù)為0.97。因此在線測量碳纖維的電阻率就可以測量出環(huán)氧樹脂材料的吸水率,這不僅可以測量環(huán)氧樹脂的擴(kuò)散系數(shù),也可以在線評估環(huán)氧樹脂材料的濕熱老化程度。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33

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