复合材料湿法模压工艺快速固化环氧树脂体系的研究

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碳纤维/环氧树脂复合材料因其质量轻、强度高、可设计性强等优点是汽车轻量化目标的理想材料之一,为满足汽车零部件大批量、快节拍的生产需要,不仅需要快速成型工艺,更需要有快速固化的环氧树脂体系。湿法模压工艺是一种制造成本低、自动化程度高的新型快速成型工艺,这种工艺目前在国内的研究还不够深入,更缺少专门适配该工艺的快速固化树脂体系。本文就是在这种背景下,进行快速固化环氧树脂体系研究,并由此开展碳纤维/快速固化环氧树脂复合材料体系的性能研究。文中根据固化剂的分子结构与环氧树脂的固化反应原理,选出几种适用于快速固化环氧树脂体系的固化剂,研究不同的固化剂对固化反应速率与固化质量的影响,得出以下几种结论:胺类固化剂与咪唑类固化剂复配后通过不同的反应原理与环氧树脂进行反应,将原本的集中发热分成两步反应,使环氧树脂固化更为完善,提高了固化物的交联密度,并分别放热,解决了集中发热造成的爆聚、内部缺陷等问题。同时可适当延缓反应时间,研究发现,复配体系的拉伸强度可达到67MPa比单一胺类固化剂体系提升近20%;弯曲强度达到88MPa 比单一胺类固化剂体系提升了近50%;冲击强度也达到了11kj·m-2,比单一胺类固化剂体系提高了近40%。然后,研究了性能最优的固化剂体系的固化工艺参数,通过改变固化剂用量和固化温度,探究固化反应速率的变化。通过测试树脂体系凝胶化时间、固化度、以及与传统环氧树脂和商用快速固化环氧树脂体系进行对比来研究固化反应速率的快慢、固化物质量和树脂性能适用性。研究结果表明,在固化剂添加量为20phr,固化反应温度为120℃时,固化时间约为常规树脂体系的1/5,在反应到5min时固化度达到97%;拉伸强度较常规树脂体系提高30%,较国内同类产品提高10%,拉伸模量基本不变,玻璃化转变温度为126℃,明显高于其它环氧固化体系,综合性能优异,适合湿法模压工艺。最后,以自行开发的快速固化环氧树脂体系制备碳纤维/环氧树脂复合材料样板,与传统环氧树脂体系和商用快速固化环氧树脂体系制得的复合材料样板在物理特性、力学性能、耐热性方面进行对比。研究结果表明,自主开发的快速固化环氧树脂体系在60℃时黏度为230 mPa.s,在3种树脂体系中黏度最低,浸润性最好。自主开发的快速固化树脂体系制备的碳纤维/环氧树脂复合材料样板的纤维体积分数为57.31%、孔隙率为4.79%,拉伸强度达到了 750MPa,与传统环氧树脂体系相比,在大幅缩短固化时间的情况下,拉伸强度依然提高了 1 0%;与商用产品相比,拉伸强度也提高了 6%;弯曲强度为675MPa,弯曲模量为42GPa,与其它两种体系相比相差不大;冲击强度为19km-2,比传统环氧树脂固化制备的复合材料提升了25%,比商用快速固化树脂体系制备的复合材料提升了近20%。自主开发的快速固化复合材料的最高加工温度达到了121℃,不但高于其它两种体系复合材料的最高加工温度,也高于其本身湿法模压工艺的固化温度,表明具有良好的耐热性和较小的收缩率。
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