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环氧树脂及其复合材料动态力学性能初步研究

更新时间:2009-03-28

0 引言

复合材料应用的发展很快,其在各个领域的应用与复合材料的动态性能密切相关。动态力学性能对树脂组成、工艺条件的变化非常敏感,可用作指纹充当复合材料基体配方设计及工艺参数设定的依据。如果能够建立动态力学参量与应用性能的关系,则可大大缩短新型复合材料的研制周期。本文主要进行环氧树脂及其复合材料的动态力学性能研究,考察材料的储能模量、损耗模量、损耗因子和玻璃化转变温度等动态性能参数。

1 复合材料的动态力学研究方法

复合材料的动态性能主要由动态力学分析(DMA)法测定。DMA就是通过测量材料对机械形变的响应能力,检测形变响应与温度、时间或频率的关系,即研究材料宽范围内的力学性质,也称作动态机械分析。动态力学分析法通常只需用一根很小的试样,就可以在宽阔的频率或温度范围内连续进行测定,因而可在较短时间内获得材料的动态力学性能频率和温度谱。DMA技术可研究高聚物的各种转变,结构的变化及与分子运动状态密切相关的变化,而分子运动的变化又能灵敏地反映在动态力学性能上,因而DMA法是研究高聚物及界面的结构——分子运动——性能的一种有效手段,所以如果能够采用DMA法适当而有效地对复合材料的耐热性进行评价,将对复合材料的设计与应用有重要的意义[1-3]

复合材料具有粘弹性,其力学性能受时间、频率、温度影响很大,因此,要进行其动态性能的研究。复合材料的粘弹性理论有两个重要的叠加原理:一是波尔兹曼叠加原理,它描述不同时间施加不同负荷时材料的变形特性,即某一特定负荷使材料产生的变形与以前加到该材料的任何负荷所产生的形变无关,其总形变可以互相叠加;二是时间-温度叠加原理或称WLF方程,它描述时间和温度的等效性,即升高温度相当于降低作用力的频率,也就是延长作用力的时间。前者说明高分子材料具有“记忆”特性,因此,实验结果会受试验前材料的历程影响。后者使之可能通过改变实验温度,扩展实验时间标尺或频率范围,考察材料的力学性能。

实验中所施加的力和所产生的形变都是时间的正弦函数,可以同时测得弹性模量和力学阻尼。其中应力——形变关系为:

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σ=E*ε

(1)

E*(ω)=E′(ω)+iE″(ω)

(2)

tanδ=E″/E

(3)

小学语文素质教育的中心任务就是培养学生的语文能力,而其能力的核心是掌握和运用语言文字的能力。要有较高的听说读写能力,就要有丰富的知识和生活经验的积累。作为小学生,不可能有丰富的直接经验。因此,从书本中积累知识,从而获得间接经验是积累的最佳途径。东汉刘向就曾经这样说过:“书犹药也,善读之可以医愚。”可见阅读对小学生而言何等重要。怎样培养小学生阅读品质呢?这是摆在小学语文教师面前的一个不可回避的课题。笔者认为,培养小学生阅读品质,首先要搞清楚“阅读品质”的内涵。所谓阅读品质,就是指阅读行为、阅读作风上所表现的思想、认识等的本质,它包括阅读的兴趣、阅读的习惯、阅读的价值观、阅读的感受和体验等方面。

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ε——形变;

复合材料由增强材料与环氧树脂组成。环氧树脂主要作用是将所承受应力传递并且分配到增强材料上,把增强材料粘接成一个整体来抵抗负载下的变形和破坏。此外,基体材料还保护增强材料免受磨损,并使增强材料不与潮湿环境直接接触,因此,基体材料除了使增强材料力学性能得以发挥外,还决定了复合材料的耐热性、耐湿性和化学稳定性等其他性能。要想发挥复合材料的作用,仅有高性能的增强材料是不够的,还必须开发与之相匹配的环氧树脂,才能得到优良的复合材料性能。

E′(ω)——实数模量,即储存模量,MPa;

图1为环氧树脂在1Hz下的温度谱,该温度谱中包括3条谱线:储能模量(E′)、损耗模量(E″)和损耗角正切值(tanδ)。根据聚合物玻璃化转变理论,E″和tanδ均会出现极大值,它们出现极大值的温度就是聚合物的玻璃化转变温度,分别记为Tg1Tg2,通常情况下Tg1小于Tg2。同时,也有研究人员用储能模量的起始下降温度来定义材料的玻璃化转变温度(记为Tg1′)。而DMA Q800则有它自身定义玻璃化转变温度的方法,即储能模量(E′)出现拐点时的温度(记为Tg2′)。如图1所示,环氧树脂在1Hz下的Tg1为105℃、Tg2为121℃、Tg1′为90℃、Tg2′为105℃,即Tg2>Tg1Tg2′>Tg1′,材料的玻璃化转变区为90℃~113℃。

式中:σ——应力;

通过高温制曲的菌群演化规律分析,一方面可通过分析菌群演化特征,为监测曲块品质差异提供理论支持。同时,也为优化制曲工艺,如缩短曲块储藏时间、改变储藏条件、调节曲房条件(如温度、通风)等,奠定基础。最终为提升与稳定酒品质、降低制曲生产成本提供科学依据。

例如,在晶状体移植手术中,通常采取PMMA作为移植材料,但这一人工晶状体若与眼角膜上皮细胞接触,将造成角膜的永久性损伤。而通过低温等离子技术中的沉积方法,能够将亲水性的单体如N-乙烯基吡咯烷酮等沉积到PMMA 的表面,从而降低角膜细胞的损伤。通过动物实验发现,利用低温等离子沉积技术处理后的PMMA进行晶状体移植,最低可以将复合表面的细胞损伤控制在10%以下。

δ——损耗角。

其中,储存模量也叫弹性模量,反映材料粘弹性中的弹性成分,反映材料形变时的回弹能力,E′与试样在每周期中储存的最大弹性能W成正比:损耗模量反映材料粘弹性中的粘性成分,材料形变时以热能方式耗散机械能的能力,即所谓阻尼项,E″与试样在每一周期中以热的形式消耗的能量成正比:ΔWε0E″;力学损耗因子表示损耗能量的相对大小,它代表材料在每一周期中损耗的能量与最大的弹性储能之比,等于材料的损耗模量与储能模量之比,它是高聚物材料的特征量,是一个与聚合物的力学松弛密切相关的量[4-6]

储能模量E′与试样在每周期中贮存的最大弹性成正比,反映材料粘弹性中的弹性成分,表征材料抵抗变形能力的大小。储能模量愈大,愈不容易变形,表示材料刚度愈大。损耗模量E″与试样在每周期中以热的形式消耗的能量成正比,反映材料粘弹性中的粘性成分,能够帮助预示冲击强度(材料的韧性)。如图1所示,环氧树脂在1Hz,20℃下的储能模量为3.0Gpa,在Tg1′时储能模量为2.6Gpa,较20℃时下降了13.3%。

2 环氧树脂的动态力学性能

E*(ω)——复数模量,MPa;

E″(ω)——虚数模量,即损耗模量,MPa;

  

图1 环氧树脂温度谱

本实验夹具选择的是三点弯曲夹具,频率选择1Hz。通过实验我们可以得到一个DMA温度谱,从图谱可得到材料在每一温度下的储能模量或损耗模量的保留百分数、材料在各温度区域内所处的物理状态、材料在某一温度附近性能是否稳定及材料的玻璃化转变温度等信息。因此,无论从实际应用或基础研究来说,进行聚合物基复合材料动态粘弹性能的研究,并将动、静态性能关系进行分析是十分必要的[3]

3 复合材料的动态力学性能

复合材料的动态粘弹特性的测试也就是复合材料的动态力学试验,是在正弦的或其他周期性变化的力作用下,观察材料的响应或形变的一种试验,它所测量的是材料的动态模量和力学损耗。

图2为复合材料在1Hz下的温度谱,复合材料的Tg1为116℃、Tg2为124℃、Tg1′为104℃、Tg2′为112℃,即Tg2>Tg1>Tg2′>Tg1′,材料的玻璃化转变区为104℃~123℃,20℃下的储能模量为7.6Gpa,在Tg1′时储能模量为5.7Gpa,较20℃时下降了24.6%。

不知为何,最近我创作热情突然高涨,一连写了五首诗、六首词、七首歌,还改编了一首儿童歌曲《玩泥巴》:“玩泥巴,玩泥巴,快来玩泥巴。我捏的小狗汪汪叫,我捏的小猫摇尾巴,我捏的小鸟飞呀飞,我捏的小人乐哈哈……”你们肯定都好喜欢它吧!

对复合材料及其环氧树脂的动态力学性能进行比较,结果如表1所示。

  

图2 复合材料温度谱

 

表1 材料性能参数表

  

试样E'|20℃(GPa)E″|20℃(MPa)Tg1(℃)Tg2(℃)Tg1'(℃)Tg2'(℃)α环氧树脂3.0701051219010513.3%复合材料7.620711612410411224.6%

注:α为从20℃到Tg1′时储能模量下降百分数。

两种材料的储能模量、损耗模量和损耗因子的曲线的变化趋势是相似的,它们的玻璃化转变温度相差不太大,均为Tg2>Tg1>Tg2′>Tg1′。其中,储能模量、损耗模量、Tg1Tg2Tg2′、Tg1′和α均是复合材料大于环氧树脂。由此可看出,增强材料的加入大大地增加了材料的储能模量和损耗模量,提高了材料的刚度和韧性,增加了材料的稳定性。

4 结论

1.得到了环氧树脂和复合材料频率为1Hz时,各温度下的动态力学性能参数。

2.根据材料的动态力学性能数据可以表明增强材料的加入增强了环氧树脂的抵抗变形和抗冲击能力,使材料的刚度和韧性增大,增加了材料的稳定性。

致谢

本实验工作得到了相关同事的大力支持和帮助,在此表示最诚挚的感谢!

参考文献

[1] 张双寅,刘济庆.复合材料结构的力学性能.北京:北京理工大学出版社,1992.

[2] 刘振海主编.热分析导论[M].北京:化学工业出版社.

[3] 陈镜泓,李传儒编著.热分析及其应用[M]. 北京:科学出版社.

[4] 纤维增强复合材料[P].日本专利,1-204733.

[5] Christensen R M. Mechanics of composite materials Wiley, New York, 1979.

[6] 过梅丽主编.高聚物与复合材料的动态力学热分析[M].北京:化学工业出版社.

 
胡玉霞,杨红伟,李武胜
《高科技纤维与应用》2018年第02期文献
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