郑超 吴琨 李毅
摘 要：采用自动铺放和热压罐成型法制备环氧树脂碳纤维复合材料层压板，研究不同环境状态和不同固化温度对复合材料层压板拉伸性能的影响。结果表明;70°C湿态+湿态（85%RH）环境下，环氧树脂碳纤维复合材料的力学性能较23℃干态条件下降25.28%;以190℃作为最高固化后温度，环氧树脂碳纤维复合材料力学性能最高，拉伸强度和拉伸模量分别为2715.40MPa和192.20GPa。
关键词：环氧树脂 复合材料 固化温度 力学性能
中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0091-03
环氧树脂具有良好的耐化学药品性和优良的电绝缘性、耐疲劳性能好、高强度和优异的工艺性能，被广泛用作于复合材料的的基体材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料具有比强度高、比模量大、耐疲劳性能好、耐化学腐蚀性能好，可设计性高，被广泛应用于风力发电、交通运输，尤其在航空航天等需要减重的领域应用取得较好的成效[1-3]。
热固化性碳纤维增强环氧树脂复合材料成型，受树脂和纤维增强材料的热膨胀系数不同导致复合材料固化成型后不可避免地产生残余应力，通常采用升高温度的方式来降低树脂基复合材料的残余应力，目前航空用环氧树脂复合材料有高温165℃～180℃和中温125℃～135℃两种固化温度[3-4]。
本文以M21/34%/UD194/IMA-12K碳带作为测试材料，分别以180℃、190℃和200℃为固化温度进行固化120min，测试不同环境状态：-55°C干态;23°C干态;70°C湿态+湿态（85%RH）0°和90°拉伸性能，以分析不同固化温度对碳纤维增强环氧树脂复合材料力学性能的影响。
1 实验材料与方法
1.1 原材料
碳带供应商为HEXCEL ，牌号为M21/34%/UD194/IMA-12K，基体为环氧树脂。
1.2 测试设备及条件
差示扫描热量计为DSC为S Ⅱ-DSC 7020，以20℃/min 的速率进行室温到150℃的升降温循环2次，消除试件材料以前的热历史，按照2℃/min、3℃/min、5℃/min和10℃/min速率升温，加热到300℃。
1.3 层压板制备
复合材料成型采用自动铺带机型号为TORRESLAYUP，生产厂家为M.Torres。采用热压罐成型复合材料层压板，固化压力0.7MPa，升温速率为0.15℃/min ～3℃/min，固化后降至60℃以下卸压出罐，得到复合材料层压板。
1.4 力学性能测试设备及条件
力学性能在MTS 370.25疲劳试验机上测试，复合材料的拉伸試样尺寸为250mm×15mm，测试标准为ASTM D3039。复合材料的压缩尺寸为140mm×12mm，测试标准为ASTM D6641。复合材料的短梁剪切尺寸为18mm×6mm，测试标准为ASTM D2344。每组样品准备6件。
2 结果和讨论
2.1 树脂体系DSC测试分析
DSC分析可以了解树脂的固化特性，对树脂进行DSC分析可以得到基本的固化反应温度。表1为不同升温速率的峰始温度Ti，峰顶温度Tp和峰终温度Tf，由表1可以看出峰始温度Ti，峰顶温度Tp和峰终温度Tf都向高温方向移动，这是由于随升温速率的提高，单位时间内产生的热量越大，热惯性也越大，产生的温度差也就越大，固化反应峰也就向高温移动。
将表1中不同升温速率下的峰始温度Ti，峰顶温度Tp和峰终温度Tf作图，并进行线性拟合，如图1所示，并外推至升温速率为0的坐标轴上的各点数据，可分别得到Ti0=143.44℃;峰顶温度Tp0=213.42℃;峰终温度Tf0=257.50℃，可以这三个温度作为近似的凝胶温度、固化反应温度和后处理温度。根据时温等效原理，高温短时间固化和低温长时间固化是等效的，因此工厂生产一般选择低温长时间固化工艺来为控制产品质量。
2.2 不同环境状态对复合材料力学性能的影响
表2为不同环境状态下180℃固化复合材料的0°拉伸性能，由表2可以看出，在-55℃干态条件下，拉伸强度、拉伸模量以及泊松比较23℃干态下的性能参数未出现差异，说明降低温度不影响复合材料的力学性能;在70℃湿态+湿态（85%RH）条件下，即试样在吸水饱和的情况下，其拉伸强度较23℃干态条件下降约25.28%，拉伸模量与泊松比均有下降。表3为不同环境状态180℃固化复合材料的90°拉伸性能，由表3可看出，70℃湿态+湿态（85%RH）较23℃干态条件的拉伸强度和拉伸模量均出现下降，说明材料受高温高湿对环氧树脂基体的力学性能的影响较大。
2.3 固化温度对复合材料力学性能的影响
图2为23℃干态不同固化温度下复合材料的0°拉伸性能，由图可以看出，当固化成型温度为180℃时，复合材料的拉伸强度为2494.69MPa，拉伸模量为190.10 GPa，当温度升高到190℃时，复合材料的拉伸强度为2715.40 MPa，拉伸模量变化不大，当成型温度在200℃时，复合材料的拉伸强度相比190℃发生了明显的下降，下降了6.88%。表4为23℃干态不同固化温度下复合材料的90°拉伸性能，可以看出拉伸强度和拉伸模量随温度变化很小，说明三种固化温度对环氧树脂基体的力学性能影响不大。
3 结语
（1）采用差示扫描量热法测定环氧树脂体系的DSC曲线，并通过外推法得到该树脂的3个动力学参数：凝胶温度143.44℃、固化反应温度213.42℃和后处理温度257.50℃。
（2）低温不影响环氧树脂碳纤维复合材料的力学性能，高温高湿环境下力学性能下降较明显。
（3）分别以180℃、190℃、200℃作为最高固化温度时，190℃固化后环氧树脂碳纤维复合材料的拉伸强度最高。
参考文献
[1] 代少俊.高性能纤维复合材料[M].上海：华东理工大学出版社，2013.
[2] 乌云其其格一种自粘性预浸料用高温固化环氧树脂研究[T]. 高科技纤维与应用，2017，42（1）：65.
[3] 武永琴.航空复合材料技术发展的回顾及展望[J].科技创新与应用，2015（17）：59-61.
[4] 王志远.固化温度和后处理温度对EP/碳布复合材料弯曲性能的影响[J].工程塑料应用，2011，39（4）：17-18.
