环氧树脂复合材料的制备及性能研究
作者 : 未知

  【摘要】环氧树脂复合材料一般是采用高温模压成型法制备的,本文对BN的用量同复合材料的性能之间的关系进行了探讨,得出结论:BN用量为6%(wt)的时候,环氧树脂复合材料有最佳的弯曲和剪切强度;BN的用量同环氧树脂复合材料的冲击强度无明显关系;BN用量与环氧树脂复合材料的导热性成正比,BN用量为20%(wt)时,其导热系数为0.8438W/m•K。
  【关键词】环氧树脂复合材料 制备 性能
  一、引言:
  所谓复合,是指不同材料进行新体系的构建,复合材料便是用多种材料进行复合,以达到增强新体系材料性能的目的,以发挥组成材料的特性,在组成材料的合理组合下,形成组合内单一材料所没有的新能力。环氧树脂复合材料,就是在环氧树脂缺少导热和力学等能力下进行的复合,以充分发挥环氧树脂的粘接、电绝缘、易加工、低成本等特性,扩大环氧树脂的应用范围。复合材料的选择,在导热性能上选择碳纤维,结合碳纤维的优良导热性能及其他特性,完善环氧树脂复合材料性能。本文实验中的复合基体为聚砜改性环氧树脂,微纳米BN以KH-550处理后填料,通过高温模压成型,制备环氧树脂/碳纤/BN的复合材料。
  (一)实验流程
  1.实验原料。实验使用的原料为,环氧值0.52的工业级E-51环氧树脂,分析纯4,4-二氨基二苯砜(DDS),工业级的碳纤维T-300,粒径5μm的工业级BN白粉,工业级聚砜,分析纯丙酮。
  2.实验仪器。实验所用仪器为Hot-Disk型热常数分析仪,BC-50摆锤冲击试验机和CMT5105电子万能材料试验机。
  3.浓硝酸对碳纤维的氧化处理。实验中先把碳纤维在体积比1:1的乙醇和丙酮溶液中浸泡一小时,并以摇晃达到搅拌目的;将碳纤维内的溶剂去除干净后,放入69.7%的浓硝酸中浸泡,一小时后同样以摇晃达到搅拌目的;最后将得到的碳纤维在蒸馏水中洗涤,洗涤五次后去除碳纤维内溶剂成分,直到重量称量稳定。
  4.环氧碳纤维复合材料的制备。将PSF溶解后,在其中加入环氧树脂,搅拌均匀后加入4,4-二氨基二苯砜和BN的溶解液,再次搅拌。然后放入上述已处理好的碳纤维,经高温模压成型进行复合材料的制备,并于200℃下处理两小时。
  5.测试与表征。实验测试包括:冲击性能,GB/T1043―1993标准,BC-50摆锤冲击试验机;弯曲性能和剪切性能,分别为GB/T9341―2000和GB/T3357―1994标准,CMT5105电子万能材料试验机。
  二、结论探讨
  (一)BN用量对复合材料的影响。在图1与表1中,以20%(wt)聚砜改性环氧树脂为基体研究。
  
  图1.BN用量对复合材料弯曲和剪切强度的影响
  图1中,BN用量在达到6%(wt)前,与复合材料的弯曲和剪切强度成正比,当BN用量超过6%(wt)后,与复合材料的弯曲和剪切强度成反比,6%(wt)时的剪切和弯曲强度最佳。这是因为加入BN后,纯环氧树脂的起始力学性能提高,但当BN用量超过6%(wt)时,应力集中点增多,弯曲和剪切强度下降。
  (二)复合材料的导热性能
  BN用量的不同,复合材料导热性能也不同,加入BN可提升复合材料的导热系数,其热导率与BN成正比。BN用量为20%(wt)时,复合材料的导热系数为0.8438W/m•K。这是因为较多的BN颗粒存在,提升了碳纤之间形成导热网络的概率。
  Y.Agari模型主要在复合材料的研究中应用,数学表达式为:
  lgλ=V(X2C2lgλ2+X3C3lgλ3+……)+(1-V)lg(C1λ1)
  其中,λ1是聚合物的导热率,λ2、λ3……是聚合物内各粒子的导热率,而λ则是复合材料的导热率,V代表复合所需填料所占的体积分数,X2、X3……是各个粒子的统计分数,且和为1。Y.Agarit在复合材料的导热性研究中,使用了碳纤维填充聚乙烯,为适应实验需求,对公式进行了完善,使其可应用于其他长径比的纤维填充复合材料导热率的研究。lgλ=V[Clg( )+E]lgλ2+(1-V)lg(C1λ1)其中, 为纤维的长径之比,C和E是常数。
  在环氧树脂的复合材料制备实验中,通过Y.Agarit模型进行复合材料的导热性研究,则适于本实验的Y.Agari模型数学表达式为:
  其中C2=Clg( )+E。因为Y.Agari模型假设的为均匀分散状态,且对基体树脂与碳纤之间作用力忽视,为理想模式。而对图2数据进行Y.Agari模型分析,使用本实验数学表达式分析,本实验所得的导热率要高于Y.Agari模型的预测值,虽然存在着差异,但将二曲线如图3对比后,排除理想条件因素,认为环氧树脂的复合材料与Y.Agari模型理论曲线仍较为一致。
  三、结语:
  得出结论:环氧/碳纤复合材料在聚砜改性下,BN用量在达到6%(wt)前,与复合材料的弯曲和剪切强度成正比,当BN用量超过6%(wt)后,与复合材料的弯曲和剪切强度成反比,6%(wt)时的剪切和弯曲强度最佳;BN的用量同环氧树脂复合材料的冲击强度无明显关系;BN用量与环氧树脂复合材料的导热性成正比,BN用量为20%(wt)时,复合材料的导热系数为0.8438W/m•K,要明显高于纯树脂基体;环氧树脂的复合材料与Y.Agari模型理论曲线仍较为一致。
  参考文献:
  [1]王德中主编.环氧树脂生产与应用[M].北京:化学工业出版社,2001.
  [2]陈立军,武凤琴,张欣宇,等.碳纤维环氧树脂复合材料的改性及改性机理[J].合成树脂及塑料,2008,25(1)
  

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