玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料的耐久性研究

发布时间：2020-04-23 00:05

【摘要】：由于其轻质高强、强耐化学性、可灵活设计性和优良的制造工艺等,玻璃纤维增强热塑性复合材料取代了许多传统材料,如金属和木制品。近50年来,它已在军事航空,机械工程,土木工程,汽车制造,电气化工,生活娱乐等领域得到广泛利用。在现实环境的应用中,复合材料会遭受到环境中各种物理或化学因素的影响从而会恶化其性能,因此,对复合材料长期耐久性能的研究具有极大的现实意义。本课题从湿热老化和时间、温度对复合材料的影响方面讨论分析了对于玻璃纤维增强热塑性复合材料的长期耐久性能,为此进行了加速湿热老化试验、不同温度和速度下的静态弯曲试验、多温度多频率下的动态机械分析试验,并利用时-温等效原理对复合材料的长期寿命进行了预测,从而得到以下结论。首先,将具有20%和40%玻璃纤维质量分数的GF/PA和GF/PET复合材料浸入80℃的去离子水中进行0 h、5 h、10 h、24 h、120 h、436 h、900 h的湿热老化。实验表明:GF/PA和GF/PET复合材料在老化120 h内增重率均呈线性增加,而后达到平衡,当湿热老化时间进一步增加时GF/PA复合材料的增重率略有下降,并且玻璃纤维质量分数由20%变为40%会使得水分子在复合材料中的扩散作用减小,其在GF/PA中的扩散速度大于在GF/PET复合材料,并且吸湿过程符合Fick定律。其次,湿热老化使得GF/PA-20%和GF/PA-40%复合材料拉伸强度在老化前10h先分别下降29.58%和23.71%后在24h分别略微上升3.95%和0.48%而后又下降的趋势,最终900h老化后下降了65.82%和51.88%。GF/PET-20%和GF/PET-40%复合材料的拉伸强度则先分别在24h时稍微提高2.02%和2.11%,然后下降,最终900h老化后下降了44.2%和49.88%。对于GF/PA复合材料来说,900 h湿热老化后玻璃纤维的增加使得强度保留率上升,但是对于GF/PET却相反。湿热老化使得GF/PA和GF/PET复合材料的模量变化均是先增加后减小,然而,最终GF/PA复合材料的模量比GF/PET复合材料的低7倍。随着湿热老化时间的增加,GF/PA复合材料的玻璃化转变温度有明显的减小变化,表明复合材料的耐热性下降。对于GF/PET复合材料而言,玻璃化转变温度变化则较小,储存模量(~′)下降明显。GF/PET和GF/PA复合材料在湿热老化900 h后,两种材料的分解温度并未发生改变,因此,900 h老化并不会影响GF/PA和GF/PET复合材料的热分解温度。而后,通过静态和动态弯曲试验探究温度和时间对于弯曲性能的影响。在静态弯曲试验里,随着温度的升高和加载速率的减小,GF/PET复合材料的弯曲强度和模量下降。并且对于GF/PET复合材料弯曲性能来说,升高温度和降低加载速率具有等效的作用。通过动态热机械分析(DMA)可以得到复合材料的粘弹性力学数据,在时-温等效的基础上利用粘弹性数据绘制储存模量主曲线,该主曲线形状光滑平顺,移动因子与Arrhenius方程一致,基于这两个条件可得到时-温等效原理适用于GF/PET复合材料并且适用于静态弯曲模量的结论,并且可用此原理来预测GF/PET复合材料的长期耐久性能,试验可以得到在相对较低的参考温度30℃下,经过10~8分钟以后,弯曲模量的下降率为80%。而后,通过SEM图分析温度对于弯曲断裂模式的影响,当温度在30℃到60℃之间时,GF/PET复合材料发生脆性断裂,40℃和60℃下,断裂面中出现片状岩石形状的受压缩区域和撕拉状的受拉伸区域,并且随温度的升高,受拉伸区域面积减小,受压缩区域面积增大,但是当温度增加到80℃时,PET树脂从玻璃态变为高弹态,试样发生塑性变形而没有明显的裂纹。在温度升高的过程中复合材料的断裂经历了玻璃纤维和PET树脂几乎同时断裂、玻璃纤维断裂而PET树脂后断裂、玻璃纤维断裂而PET树脂不发生断裂、玻璃纤维和树脂均不发生断裂这几个过程。
【图文】：

注塑成型机

玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料的耐久性研究

注塑成型机模型图
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB332;TQ327.1

【参考文献】