【摘要】：針對樹脂基復合材料容易發(fā)生老化和在交變應力場合下表面易產生微裂紋,導致材料性能的劣化,縮短使用壽命的問題,本論文以環(huán)氧樹脂為研究對象,選取鋁粉為增強材料,制備了鋁粉增強的環(huán)氧樹脂復合材料,利用鋁粉的第二相增強作用以提高復合材料的力學性能;利用裂紋遇到鋁粉會產生應力發(fā)散的現象,阻礙已萌生的微裂紋的繼續(xù)擴展;利用金屬鋁對水分子的屏蔽作用,增強復合材料對水分子的阻隔性、降低樹脂內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,填補微裂紋的空穴,堵塞裂紋形成的水擴散通道,減緩水的擴散和濕熱老化;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)氧樹脂復合材料的界面進行改性,進一步提高其綜合性能,使樹脂不易產生微裂紋,制備出一種強度高、耐濕熱老化和紫外老化的新型環(huán)氧樹脂復合材料。本論文首先在氬氣保護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合材料力學性能和老化性能的基礎上,改變顆粒尺寸和形狀,探討了鋁粉形貌對復合材料性能的影響。再對鋁進行表面處理,進一步提高鋁粉/環(huán)氧樹脂復合材料的性能,最后結合試驗中樹脂基難以現場評價的問題,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論:(1)在環(huán)氧樹脂中添加電弧噴涂鋁粉可有效提高復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展的能力和力學性能。當鋁粉的添加量為6 wt.%時,復合材料的力學性能最佳,拉伸強度和彎曲強度達到最大值,分別為45.1MPa和94.6MPa,磨損率及平均摩擦系數則達到最低值,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合材料對環(huán)境中水分子的阻隔性,使水分子在復合材料中的擴散系數和樹脂的飽和吸水率降低,并使復合材料在濕熱老化后的力學性能損失率降低,其中添加6 wt.%電弧噴涂鋁粉復合材料的耐濕熱老化性能最佳,老化后的拉伸和彎曲強度損失率最低,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,可有效提高復合材料抗紫外老化性能,老化后復合材料的黃變值和強度損失率隨鋁粉添加量的增加逐漸減小,當電弧噴涂鋁粉的添加量為10 wt.%時,復合材料的拉伸和彎曲強度的損失率最小,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環(huán)氧樹脂后,復合材料的力學性能、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的環(huán)氧樹脂復合材料。球狀鋁粉改性后的力學性能增強效果優(yōu)于片狀鋁粉,在球狀鋁粉添加量為6wt.%時,拉伸強度和彎曲強度分別達到64.5 MPa和177.1 MPa;磨損性能磨損率降至4.71 × 10-13m3·N-1·m-1,平均摩擦系數為0.338。片狀鋁粉的改性后復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.%時擴散系數和飽和吸水率最小分別為1.98× 10-6m2/s和3.29%,老化后的拉伸強度和彎曲強度損失率分別為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,老化后的拉伸強度和彎曲強度損失率分別為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,擴散系數增大,利用疲勞沖擊法對環(huán)氧樹脂進行損傷,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)氧樹脂復合材料損傷后飽和吸水率基本不變,僅是到達飽和吸水率的時間比未損傷的短,添加球狀鋁粉的復合材料擴散系數比未損傷時提高了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損傷裂紋處的縫隙,相同質量的鋁粉,片狀比球狀鋁粉比表面積大,氧化后體積增加多,填補效果好,使其對損傷的環(huán)氧樹脂材料擴散系數影響小。通過計算得出鋁粉粒徑為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劑對鋁與環(huán)氧樹脂間的界面進行增強,其中硅烷偶聯劑的改性效果最佳界面剪切強度為13.94MPa,鋁酸酯偶聯劑改性后的界面剪切強度為10.12MPa,分別比未改性時的界面強度7.55MPa提高了84.6%和34.0%;鈦酸酯偶聯劑對環(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,老化后的界面強度發(fā)生明顯降低分別為5.77 MPa、5.59MPa和5.61MPa;改性后的復合材料界面抗紫外性差,紫外老化后的剪切強度均大幅度降低,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,且成對數關系,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)氧樹脂的擴散系數,也可以在線評估環(huán)氧樹脂材料的濕熱老化程度。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33

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本文編號：2684363