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文章在增强塑料和复合材料杂志·2014年3月
3位作者：
Hossein Rahmani，伊朗，S. Heydar Mahmoudi Najafi，伊朗，Alireza Ashori，伊朗
摘要
本研究的目的是为了更好地理解碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能。为此，已经研究了纤维取向，树脂类型和层压材料的数量对层压复合材料的机械性能的影响。在样品制备过程中，复合材料通过手工叠加工艺制造，使用40:60（w：w）的纤维与树脂的比例。为了研究纤维取向的影响，选择0\，35\，45\和90\的角度。 结果表明，就拉伸强度，弯曲强度和冲击强度而言，机械性能主要取决于纤维取向和层压板的数量。在类似的纤维取向下，与其他评估的复合材料相比，用EM500环氧树脂制成的复合材料显示出最高的机械性能（例如拉伸强度和弯曲强度和冲击强度）。 但是，这些差异并不十分显着。结果表明，五层复合材料的力学性能通常略高于三层复合材料。 这可能是由于粘结层缺陷，这对机械性能产生不利影响。复合材料的扫描显微图片显示环氧基质材料完全粘附到纤维上，表明界面牢固。可以得出结论：复合材料力学性能的增量参数顺序为：纤维取向gt;层压数gt;树脂类型。
关键词
层压复合材料，纤维取向，环氧树脂，碳纤维，机械性能。
介绍
多年来，环氧树脂对工程界一直具有重要意义。为了改善环氧树脂的性能，使用附加相（例如无机填料）已成为常用做法。近年来，用碳纤维增强聚合物基复合材料可以显着提高纯聚合物基体的力学，热学和阻隔性能。而且，这些改进是通过常规加工技术实现的，对聚合物基体的可加工性，外观，密度和老化性能没有任何有害影响. 由于上述特点，环氧树脂/碳纤维复合材料等层压纤维增强复合材料被广泛应用于包装，涂料，电子，汽车和航空航天等行业。它们具有高强度重量比和刚度重量比。 这些复合材料与整体材料相比具有独特的优势，如高强度，高刚度，长疲劳寿命，低密度，耐腐蚀性，耐磨性和环境稳定性。当层压复合材料受到拉伸，弯曲和撞击时可能会受到机械损伤，这会导致材料失效。 因此，有必要使用机械性能得到改善的材料。
Rahmani等人研究了纤维取向，纤维含量和纤维含量的影响，通过改善树脂基体\和纤维增强材料的层间性能可以提高环氧聚合物复合材料的机械性能。当设计复合材料时，增强材料总是朝向负载方向。 然而，如果载荷方向是可变的并且不平行于纤维，则研究层压板的机械性能变得更加重要\。本研究的主要目的是研究树脂类型，纤维取向和层压板数量对机械性能的影响。 对于参数研究，评估了复合材料样品的拉伸强度，弯曲强度和冲击强度以及形态特征方面的机械性能。
试验
物料
纤维。 单向碳纤维，Toray#39;s Torayca T700S-12k，被用来铺设复合层压板作为增强剂。 表1列出了所用纤维的机械和物理性能。
基体。本研究使用三种不同类型的树脂材料：Araldit LY 5052，Lionbond EM500，Epon 828.表2显示了所用树脂类型及其固化剂的一些特性。
释放剂。 QZ 13的脱模剂是Huntsman Petrochemical Co.的产品。模具涂有脱模剂以确保纤维不会粘附到模具上。
复合材料的制备
复合材料制备的细节已经在别处报道过。\总之，三层和五层分别制造厚度为0.4和0.7mm的复合板（每层厚度约为0.135mm）。为了研究纤维取向的影响，在该研究中选择0\，35\，45\和90\的角度。 所有实验中环氧树脂基体和碳纤维的比例为60:40。 在手动上模之前，模具涂有脱模剂以确保纤维不会粘附到模具上。 表3中给出了用于制备的各个复合材料的堆叠顺序，配方和缩写。使用刷子用树脂均匀地浸渍纤维。 接下来的制造过程是真空装袋。 将样品放入塑料真空袋中并密封以将其与大气隔离。 样品通过真空压实，通气布收集多余的树脂并除去气泡和挥发物。 最后，将样品置于60\C的高压釜中12小时。
测试程序
根据用于拉伸性能的ASTM标准D-638，用于弯曲性能的D-790和用于冲击强度的D-256测试样品。 样品从平行于x轴方向的平板喷水切割（基于第一层）。 使用万能试验机（Santam型号STM-150）以5mm / min的恒定十字头速度进行拉伸和弯曲试验。 使用长度为80mm的引伸计测量试样的位移。 使用传统的V型缺口试样，用摆锤装置（CEAST型号6958）进行伊佐德冲击试验。 由于灵活性，冲击样品需要使用液氮进行低温温度处理。 因此，在测试之前将样品在腔室中调理15分钟。 室的温度设定为-70\℃。 每个处理进行三次重复测试。
形态特征
使用扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的形态进行研究。 使用SEM TESCAN（型号WEGA-II）拍摄拉伸断裂试样表面的显微照片。 为了防止在检查过程中带电，将样品用金溅射涂覆20nm的厚度。 使用15kV的加速电压来收集SEM图像。
结果与讨论
平均拉伸，弯曲和冲击性能确定了所有的复合材料如表4所示。整体趋势表明，纤维取向对机械性能的改善具有最显着的影响。 为了更容易比较，所生产的复合材料的机械性能显示在图1-3中。
拉伸性能
图1（a-c）分别示出了各种制造的复合材料的强度，模量和断裂伸长率方面的拉伸性能。 复合材料的拉伸强度随树脂类型而略有变化; 然而，差异并不十分显着（图1（a））。 对于LY5 / 4复合材料，LY3 / 3和EP3 / 3样品的平均拉伸强度从20 MPa提高到平均为1059 MPa。可以看出，五层复合材料的最高和最低拉伸强度均可见。 换言之，拉伸强度似乎不受层压物数量的影响，而在改变纤维取向时，拉伸强度倾向于显着降低或增加。 值得注意的是，在plusmn;35\取向的情况下，层压板断裂需要更高的载荷。 换句话说，具有0\，35\，0\和0\，-35\，0\， 35\，0\取向的复合材料显示在所研究的复合材料中最高的拉伸强度和模量。 可以得出结论，主导因素是纤维取向。
复合材料的拉伸模量趋势与之前讨论的拉伸强度趋势相似（图1（b））。 复合材料的拉伸模量随纤维取向而变化很大。 与其他研究的复合材料相比，复合类型LY5 / 4（使用0\，-35\，0\， 35\，0\）显示出最高的拉伸模量，而复合材料类型LY3 / 3，EM3 / 3和EP3 / 3表现出最低的拉伸模量。 树脂类型和层数对复合材料的力学性能没有很大的影响。 另外，随着层压板数量的增加，拉伸模量没有显示出明显的增加。
从图1（c）可以看出，随着层压板数量的增加，试样断裂伸长率适度增加。 结果表明，通过增加层压体的数量，断裂伸长率的值有适度增加，并且在树脂类型和纤维取向之间存在显着差异 树脂类型LY表现出最高的断裂伸长率，复合类型LY5 / 6和EM5 / 6表现出好的柔性，分别为1.8％和1.7％。 这一结果主要由纤维取向来解释。 换句话说，在plusmn;35\取向中观察到更多的伸长。 在90\取向的情况下伸长率最小。
弯曲性能
图2（a和b）分别显示了作为处理条件函数的复合材料的挠曲强度和模量的结果。 EM3 / 1复合材料的弯曲强度最高，而LY3 / 3，EM3 / 3和EP3 / 3复合材料的强度和模量最低。 EM3 / 1复合材料的最大弯曲拉伸为1266MPa，而EP5 / 4的最大模量约为57.6GPa。 换言之，在plusmn;35\和90\取向的情况下，最大和最小弯曲模量是有分别的。 这种情况可以通过改善基质和纤维之间的界面粘附来解释。 另外，各种参数影响纤维增强的弯曲性能，包括纤维取向，纤维基质粘附，界面处的应力传递和混合温度。 控制长纤维复合材料力学性能的最重要参数之一是纤维取向。
比较三种不同树脂类型的结果表明，用五层制成的复合材料的弯曲强度和模量通常高于三层复合材料。 值得注意的是，随着层压板数量的增加，粘接层缺陷如空洞，接合键和孔隙率增加，这可能对粘接接头的结构性能产生不利影响。
悬臂梁冲击强度
图3显示了复合材料的伊佐德缺口冲击强度。 随着纤维取向和层压材料数量的不同，复合材料的冲击性能差异很大。 在一定数量的层压材料中，所制造的复合材料之间的不同冲击强度可归因于纤维取向的作用。 从图3可以看出，复合材料的纤维取向对冲击强度影响最大。 在各种配方中，复合型EM5 / 4的冲击强度提高最多，而纤维取向为90\，45\，90\的复合EP3 / 3的冲击强度最低。 这个结果是一致的。
我们之前关于碳纤维/环氧树脂复合材料的报告\，类似于弯曲和拉伸性能，树脂类型对于冲击强度没有显示出显着的影响。 无论树脂类型如何，五层复合材料都具有最高的冲击强度; 而三层复合材料显示出最低的性能。 值得注意的是，复合材料的强度取决于纤维的性质，例如纵横比和单个纤维的长度，这允许在基体和纤维之间更好的应力传递。
破裂表面
为了研究复合材料的失效机理，使用SEM比较了失效试样的拉伸断裂表面（图4）。 复合类型LY5 / 4（图4（a）），EM5 / 4（图4（b））和EP5 / 4（图4（c））的较高放大倍数显微照片显示纤维丝完全被环氧树脂。 如可以清楚地看到的那样，纤维没有从基质中分离，并且可以从图像推断出组分之间非常好的相互作用。 此外，没有观察到基体开裂，界面脱粘和层间剥离。 在界面处观察到的强粘附性已经在复合材料的机械性质中进行了讨论，并且与环氧树脂有关，环氧树脂将纤维包封在基质中并引起强粘结。 图4（b，d，f) 显示了纤维从基体中拉出之后剩余的微空腔的一些证据。 少量孔的存在意味着纤维和基体聚合物之间的界面结合力强，因此纤维可以提供从基体有效的应力转移。 这导致复合材料的机械性能增强。
结论
根据这项研究的结果，可以得出以下结论。
a. 复合材料力学性能的增量参数顺序为：纤维取向gt;层压数gt;树脂类型。
b. 观察到一个有趣的现象：五层复合材料的拉伸和弯曲性能略高于三层复合材料。
c. 与其他使用方向相比，样品在plusmn;35度取向的情况下可以承受优异的负载和伸长率。
d. 与其他复合材料相比，用EM500树脂制成的复合材料显示出优异的机械性能。 但是，差异并不显著。
e. 扫描显微照片提供了纤维拔出的一些证据。 这归因于环氧树脂基质完全包封了纤维丝。
表1.所用碳纤维的机械和物理性能
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属性 |
值 |
标准 |
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拉伸强度（MPa） |
2550 |
TY-030B-01 |
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