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杂质对复合材料性能的影响
时间:2005-07-05
碳纤维增强树脂基复合材料由于低密度、高强度、高模量和低膨胀系数等性能，在汽车工业、建筑材料、体育制品等领域有着越来越广泛的应用。特别是高模量碳纤维／环氧树脂复合材料在航空航天领域有着更为广泛的应用，当今卫星的主承力结构件、次承力结构件甚至地面装置，尽量采用它们制造。然而在复合材料制件的制造和使用过程中由于环境因素导致复合材料力学性能下降，影响了复合材料的可靠性，制约了复合材料的应用。因此，本文重点研究了加工过程中水及脱模材料对复合材料性能的影响，结果清楚显示杂质的混入能够导致复合材料性能严重下降。由此可知加工过程中环境的严格控制是得到高可靠性复合材料的主要因素之。
2 实验部分
（ 1）原材料
碳纤维预浸料： M40－3K－40B／648环氧树脂，含胶量：39±3％，纤维含量117g／m2，厚度：0.125mm。
（2）杂质选择
自来水及脱模材料。
（3）试件制备
单向铺层，14层，含胶量 32±3％；AO板：标准板，没有任何杂质；AI－AS板：自来水整层均匀喷洒，单层喷洒重量30.77g／m2，具体喷洒位置见图 1黑体部位 ；BI－B4板：杂质种类：脱模材料（特 221号润滑膏，SH0459－92），材料宽度约25mm，单层重量 2.36mg／cm2‘层，共两层，刷涂位置见图 2黑体部位；固化工艺见表1。
表1 复合材料试样固化工
| 罐内空气温度/℃ |
模具温度/℃ |
保温时间/min |
真空/MPa |
充气压力/MPa |
| 室温 |
室温 |
0 |
0.092 |
0 |
| 110 |
85 |
30 |
0.092 |
0 |
| 145 |
125 |
0 |
0.092 |
0.4 |
| 170 |
165±5 |
120 |
0.092 |
0.4 |
| 降温 |
165 |
0 |
0.092 |
0.4 |
| 降温 |
50 |
自然冷却 |
0 |
0 |
（ 4）实验用主要设备
美国MTS力学性能试验机，100Kg材料试验机。
(5）性能测试
拉伸性能按GB／T3354－99测试，压缩性能按GB3856－83测试，层间剪切性能按GB3357－82测试，弯曲性能按GB／T3356－99测试。
3 结果与讨论
3．1 杂质对复合材料性能影响实验结果
复合材料在加工过程中，外部环境中的固体颗粒及湿度能够严重影响复合材料的机械性能。加工过程中由于操作人员的不小心，可能导致脱模材料混入复合材料制件中，同样会对复合材料的性能及可靠性构成致命的危害。本课题研究方案是通过在复合材料的铺制过程中故意分别加入了自来水及常用脱模材料，根据力学性能测试相关标准得出了实验结果，表2为水的不同含量对复合材料性能影响实验结果，表3为脱模材料刷涂不同位置对复合材料性能影响实验结果（含脱模材料的板材在加工测试力学性能用试片时脱模材料应在试样的中部）。
3．2 试验结果讨论
与无任何杂质标准板材机械性能数据对比，含杂质复合材料板材各种强度及模量有不同程度的下降，有些甚至下降的比较严重。另外也可以看出，杂质含量越高，对各种性能影响越大。由此可知，在复合材料加工过程中，杂质的混入可导致复合材料性能下降。
液体杂质对复合材料结构的影响可能归结于以下几种因素：
①增加孔隙含量：液体杂质的存在可能增加复合材料的孔隙含量，因为在固化过程中液体的挥发在复合材料中留下孔隙。孔隙含量的提高能够严重降低复合材料的机械性能；
②纤维含量的提高：含有杂质试样在固化名门到中大约3一4%的树脂被挤出，导致复合材料纤维含量的提高，可能是ILSS降低的因素之一；
③液体杂质抑制结合：液体杂质可能抑制环氧树脂的粘结性能；
④另外的因素可能是在复合材料固化成型过程中杂质影响了环氧树脂的化学与界面成分；
⑤测试结果显示不含有杂质的多层板结合好，它是作为一个整体共同承担载荷，含有杂质的试样由于层间疏松，性能下降。这是因为无杂质时复合材料中纤维与环氧树脂结合力好，含有杂质时，基体／纤维界面受到影响，不同层门纤维被分开导致结构疏松，性能下降。加载时，由于结合差，含有的杂质引起应力集中导致部分纤维首先承担载荷，受载纤维失效，然后其它纤维承担载荷，又快速断裂。
总之，加工过程中由于杂质的混入，导致复合材料产生各种缺陷，如孔隙、分层等。所以，与无杂质试样相比，在同样载荷条件下，由于模量更小，应变更大．失效载荷也更小。当然最终拉伸强度及模量还与其它因素有关，如纤维、基体性能，界面结合强度，孔隙含量，内部应力应变的分布情况等。
4 结论
实验结果表明加工过程中水及脱模材料的混入能够严重影响复合材料的拉、压、弯、剪性能。因此在加工过程中，为制得符合性能设计质量要求的产品，避免各种杂质混入影响复合材料的可靠性，在确保原材料及制品设计合理的前提下，还应对如下方面进行有效控制与管理：
（1）对原材料的质量进行全面的检验，使用前储存在洁净、温、湿度适宜的环境中；
（2）对制造复合材料所用设施、设备、模具进行有效管理；
（3）保证作业场所清洁、通风良好、温、湿度适宜；
（4）对成型、固化工艺有效控制；
（5）操作人员有较高的技能。制定产品质量标准及工艺规程，在生产中严格执行，只有这样才能避免成型过程中各种缺陷的产生，确保复合材料制品质量得到设计要求。
