轻质环氧树脂基复合芯材膜制备及力学性能研究_闫鸿琛.pdf

202313基础研究21Modern Chemical Research当代化工研究202313基础研究21Modern Chemical Research当代化工研究 轻质环氧树脂基复合芯材膜制备及力学性能研究闫鸿琛 刘欣懿 张宝艳 石峰晖（中国航空制造技术研究院 北京 101300）摘要：本文针对航空航天对于轻质高刚性夹层结构的需求，开展了轻质环氧树脂基复合芯材膜的制备工艺研究与性能表征。采用熔融共混方法制备了新型轻质高刚性环氧树脂基体，采用热熔法制备了轻质环氧树脂基复合芯材膜，并对其进行了工艺性能、微观结构和典型力学性能的表征。结果表明，本文制备的轻质环氧树脂基复合芯材膜空心微腔结构保持良好，内部质量良好，固化后轻质复合材料密度降低到0.63g/cm3，典型力学性能达到国际先进水平，具有良好的工程应用前景。关键词：环氧树脂；夹层结构；轻质材料；力学性能中图分类号：TB332 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.13.007Preparation and Properties of Lightweight Epoxy Resin Syntactic CoreYan Hongchen,Liu Xinyi,Zhang Baoyan,Shi Fenghui(AVIC Manufacturing Technology Institute,Beijing,101300)Abstract：In order to meet the demand of aerospace for lightweight and high-rigidity sandwich structure,the preparation process and properties of lightweight epoxy resin based composite syntactic core were studied in this paper.A new lightweight epoxy resin matrix with high rigidity was prepared by melt blending method,and a novel lightweight epoxy resin syntactic core film was prepared by hot melting method,of which the processing properties,microstructure and typical mechanical properties were characterized.The results show that the novel lightweight epoxy resin syntactic core maintain its microcavity structure and excellent internal quality,while the density of the lightweight composite material after curing is reduced to 0.63 g/cm3.The typical mechanical properties reach the advanced world standards and the novel lightweight epoxy resin syntactic core has a good engineering application prospect.Key words：epoxy resin；sandwich structure；lightweight composite；mechanical property环氧树脂基轻质复合材料是指将空心玻璃微珠或其它中空微珠等轻质填料与基体树脂混合而得到的一种轻质复合材料，其空心微球中的空腔构成了复合材料的泡沫结构，它无须经过气泡的成核和膨胀阶段，因而具有诸多优点，例如，易于成型、设备费用低、生产效率高、能耗少，通过控制填充空心微球的含量及大小即可控制泡沫塑料的结构，从而达到优化材料性能的目的1-3。目前环氧树脂基轻质复合材料凭借优异的耐压性、耐腐蚀性、抗冲击性和较低成本，已广泛应用海洋深潜浮力材料等领域，逐步取代了传统浮力材料4-8。但是目前海洋领域应用的轻质复合材料主要采用浇铸法或是模压成型等方法制备，适用于制备形状规则简单结构，应用范围受到一定限制。轻质环氧树脂基复合芯材膜（简称芯材膜）是一种在树脂基体中添加轻质刚性填料得到的低密度、高刚度轻质材料，未固化状态下以胶膜的形式存在。芯材膜固化前是一种自粘性连续均质柔性材料，能够实现复杂形状模具随形铺覆，既可以单独制备复杂结构形状构件，又可以与蒙皮材料实现共固化制薄壁夹层结构，拓展夹层结构应用，进一步提高减重效率。相比于传统蜂窝夹芯结构，同厚度下夹芯结构压缩强度、拉伸强度和侧向强度较高、耐湿热性能好、界面强度高，具备更优异的综合性能。国外氰特、汉高等公司已经研制多款不同规格的芯材膜产品，譬如FM10和SynCore HC9872.1等，已在多个航空型号上获得应用，起到了良好的减重效果。我国轻质环氧树脂基复合芯材膜研究起步较晚，正在进行系列产品关键技术突破和材料性能稳定性研究。本文针对航空航天领域对于轻质环氧树脂基复合芯材膜的需求，开展了芯材膜的研究，制备出了综合性能达到国际先进水平的轻质环氧树脂基复合芯材膜，具备在航空航天领域进一步开展推广应用。1.实验材料及方法（1）原材料。本研究选用的环氧树脂基体主要包括环氧树脂E-51（凤凰牌，南通星辰合成材料有限公司）和固化剂二氨基二苯砜（DDS，天津汉硕高新材料有限公司），增韧剂选用改性聚芳醚酮类树脂增韧（自行设计改性），界面改性剂为改性硅烷偶联剂（自行设计改性）。轻质添加剂选用的空心玻璃微球S15（美国3M公司），其密度为0.15g/cm3，抗压强度202313基础研究22Modern Chemical Research当代化工研究202313基础研究22Modern Chemical Research当代化工研究为2.1MPa（90%留存率）。用于制备轻质高刚性夹层结构蒙皮的材料选用国产T800级碳纤维增强高温环氧树脂基预浸料（中国航空制造技术研究院自制），纤维面密度为133g/m2，树脂含量为33%。（2）轻质环氧树脂基复合芯材膜制备。轻质环氧树脂基复合芯材膜制备分为轻质环氧树脂基体制备和芯材膜涂覆两个步骤。轻质环氧树脂基体采用熔融共混法：将一定质量的E51环氧树脂与增韧剂、界面改性剂等原材料加入行星分散机中，开启加热（150）、搅拌及分散直至各组分环氧树脂完全融化混合为透明均相体系；加入定量的S15空心微球，待搅拌分散均匀后开始降温；待体系温度降至60后加入称量好的固化剂，在行星分散机的搅拌分散作用下使固化剂均匀分散在环氧树脂基体中，最终得到配制好理论密度为0.6g/cm3的轻质环氧树脂基体。芯材膜采用热熔法涂覆：将轻质环氧树脂基体在烘箱中85下预处理30min至低黏度流动态，转移至温度预设为85的胶膜机，调整涂覆辊间隙、设备速比，直至离型纸表面的复合芯材膜均匀完整、质量稳定，收卷为芯材膜卷材待用。（3）轻质环氧树脂基复合材料制备。采用热熔涂覆法制备的芯材膜的面密度为310g/m2，理论密度为0.6g/cm3。按照测试标准中对于试样尺寸的要求，将芯材膜按照0n的方式铺贴，制备纯轻质环氧树脂基复合材料，用于表征芯材膜的本体力学性能和耐热性能。轻质刚性夹层结构的上下蒙皮采用自制的国产T800级碳纤维增强高温环氧树脂单向预浸料，铺层顺序为0/90/0。夹层结构芯材采用本文研制的芯材膜，采用热压罐共固化的方式成型，制备的复合材料夹层结构用于测试平面拉伸性能和层间剪切性能。图1 热压罐成型组装示意图热压罐固化成型组装方式见图1，其固化成型工艺为：室温下抽真空，真空度不小于0.095MPa，加压至0.6MPa；以不高于3/min的升温速率升温至180并保温3h，然后以不高于3/min的降温速率冷却到60以下，出罐得到轻质刚性环氧树脂层压板和夹层结构材料。（4）性能测试及表征。采用Quanta 450 FEG场发射环境扫描电子显微镜在加速电压5kV下观测芯材膜固化后的微观形貌。芯材膜固化后的密度按照GB/T 447标准，采用密度低于水密度的标准轻质材料进行测试。复合材料的耐热性能通过测量复合材料的玻璃化转变温度（Tg）来表征，采用DMA850型动态热机械分析仪（DMA）测试复合材料的Tg，以力学损耗因素（tan）曲线的损耗峰顶对应的温度为Tg。采用双悬臂模式，升温速率为5/min，频率为1Hz。芯材膜的拉伸性能按照ASTM D 638塑料拉伸性能试验方法的规定进行测试；压缩性能按照ASTM D 695 刚性塑料压缩性能试验方法的规定进行测试；面内剪切强度按照ASTM D 3846增强塑料面内剪切强度试验方法的规定进行测试。轻质刚性复合材料夹层结构的平拉强度按照ASTM C 297夹层结构平拉强度试验方法的规定进行测试；层间剪切性能按照ASTM D 2344聚合物基复合材料及其层压板短梁强度标准试验方法的规定进行测试。2.结果与讨论（1）轻质刚性环氧树脂基复合芯材膜外观。芯材膜外观如图2所示。室温状态下为白色光滑平整胶膜，质地均匀，没有肉眼明显可见的气孔和缺胶等缺陷。芯材膜质地柔软，能够实现任意弯折，随型铺覆，表面粘性良好，能够与预浸料、金属模具等不同材料实现良好的粘接。图2 轻质刚性环氧树脂复合芯材膜图3 轻质刚性夹层结构复合材料如图3所示，与国产T800级碳纤维增强高温环氧树脂单向预浸料采用热压罐共固化方式制备的轻质刚性夹层结构复合材料外观。制备的夹层结构复合材料厚202313基础研究23Modern Chemical Research当代化工研究202313基础研究23Modern Chemical Research当代化工研究度均匀，蒙皮面板光滑平整，切口断面显示芯材内部致密、均匀，无明显孔隙缺陷。夹层结构复合材料的外观状态表明，芯材膜工艺性能良好，与预浸料铺贴性能良好、相容性良好，良好的内部成型质量表明共固化工艺匹配性良好。（2）轻质刚性环氧树脂基复合芯材膜微观结构。使用场发射环境扫描电镜对芯材膜固化后的内部微观结构进行了表征，表征结果见图4。从图中可以看出，经过熔融共混制备树脂、热熔涂覆制备芯材膜、铺贴以及热压罐高压成型等诸多工艺组合后，起主要减重和提高刚性作用的空心玻璃微球能够保持良好球形结构。空心玻璃微球占位形成的空腔均匀分布，树脂基体内部没有形成明显孔隙或空洞。上述结果表明，本文采用的环氧树脂基体和空心玻璃微球相容性良好，树脂基体充分浸润、包裹空心玻璃微球，保证空心玻璃微球之间具备足够的缓冲树脂，避免加工过程中刚性空心微球之间碰撞而产生的破损。此外，良好的相容性、填料外形保持率和内部结构也能够保证固化后的芯材具备良好的承压能力，能够充分发挥球形轻质填料均匀承压的特性，在实现减重的同时保持有高耐压能力。图4 轻质刚性环氧树脂复合芯材膜固化后内部微观结构（3）轻质刚性环氧树脂基复合芯材膜固化后性能。对制备的芯材膜本体与国产T800级碳纤维增强高温环氧树脂单向预浸料共固化制备的轻质刚性夹层结构进行了物理和力学性能的测试，测试结果见表1。表1 轻质刚性环氧树脂复合芯材膜和夹层结构复合材料性能项目测试方法测试结果密度/(g/cm3)GB/T 14630.63单层固化厚度/mm游标卡尺0.49玻璃化转变温度/ASTM D 7028198压缩强度/mPaASTM D 69582.6压缩模量/gPaASTM D 6953.04拉伸强度/mPaASTM D 63837.2拉伸模量/mPaASTM D 6383.01面内剪切强度/mPaASTM D 384635.4夹层结构平拉强度/mPaASTM C 29721.2夹层结构层间剪切强度/mPaA