摘要:为了制备低膨胀、高强、轻质复合材料,采用模压法制备了ZrW2 O8-Cf/E51复合材料,并研究了超声时间对其微观组织、热膨胀行为和极限抗拉强度的影响。结果表明 : 在制备过程中颗粒团聚后容易受到纤维单丝阻挡并在纤维束表面聚集。在 20 min之内,延长超声时间会减少ZrW2 O8颗粒团聚。随着颗粒团聚的减少,复合材料断口会由平面状、无纤维拔出变为台阶状、有纤维拔出。在碳纤维和 ZrW2 O8 颗粒的综合作用下,ZrW2 O8-Cf/E51复合材料在热膨胀过程中膨胀量 d L/L0 会出现增大、减小和缓慢上升三个阶段,平均热膨胀系数也会出现相应的三个阶段。超声时间从5 min 延长到20 min,ZrW2 O8-Cf/E51复合材料的平均热膨胀系数降低了约 130%,极限抗拉强度提高了约 8%。
关键词:低/负热膨胀;复合材料;钨酸锆颗粒;碳纤维
在航空航天、光学、精密仪器、土木工程等领域,迫 切需要形状和尺寸不随温度变化且轻质、高强的材料, 以保证其构件具有高的尺寸稳定性、精密性和较长的使用寿命。研究表明绝大多数传统结构材料具有 “热胀冷缩”的固有属性,在环境温度变化的情况下会 发生尺寸变化,从而引起工程结构出现精度丧失、功能失效、结构破坏等问题。开发具有极小甚至零热膨 胀系数且高强度、轻质的材料已成为各国科学家重点 关注的前沿科技领域之一。目前,实现复合材料低热膨胀的方法主要有优化 纤维排布法和添加负膨胀调控相法。优化纤维排布法 主要是利用纤维的轴向负膨胀特性实现热膨胀调控。 通过合理的纤维和基体配比可以实现单层板单方向 低/负膨胀设计;进一步通过优化铺层方式可以获得平 面内具有低/负热膨胀特性以及优异力学性能的纤维增 强复合材料。添加负膨胀调控相法是通过添加具 有负 热 膨 胀 系 数 (coefficient of thermal expansion, CTE)的 颗 粒 实 现 复 合 材 料 热 膨 胀 系 数 的 调 控。文 献[9-1 2]报道了以具有负热膨胀系数的陶瓷、氧化物、 铁电/铁磁颗粒作为负膨胀调控相,以金属(铝、铜、钛 等)、陶瓷、高分子聚合物等作为基体的低/负膨胀复合 材料。其中,Liu 等制备的 A-l Zr2 (WO4 )(PO4 )2 复 合材 料 的 热 膨 胀 系 数 可 达 - 2.74 × 1 0 -6 ℃-1 。 Sleight 研究小组发 现 钨 酸 锆 颗 粒 (ZrW2 O8 ,CTE 约-8.7×1 0 -6 ℃-1 )在较宽的温度范围内具有负热膨 胀系数,是一种性能优异的负膨胀调控相。近年来,以 ZrW2 O8 颗粒作为热膨胀调控相,以金属(铝、铜、钛等)、 陶瓷、高分子聚合物等作为基体的低/负热膨胀材料得 到了蓬勃的发展[15-1 7],从理论上和实验上验证了通过添 加负膨胀颗粒调控复合材料热膨胀系数的可行性。为制备热膨胀系数更低,且高强、轻质的复合材 料,本工作利用优化纤维排布和添加负膨胀调控相两 种方法的综合优势,采用碳纤维作为主要的增强相和 热膨胀调控相,达到提高复合材料力学性能,并降低其 热膨胀系数的效果。将具有负热膨胀系数的 ZrW2 O8 颗粒分散到纤维增强复合材料的层间与层内,达到进一步降低复合材料热膨胀的效果。研究了超声时间对 ZrW2 O8-Cf/E51 复合材料热膨胀系数和力学性能的 影响;结合微观组织与性能测试,分析了 ZrW2 O8-Cf/ E51 复合材料的热膨胀行为和断裂失效机理。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
制备 ZrW2 O8-Cf/E51 复合材料的主要原材料有: 碳纤维(体积分数约为 3 0%)、负膨胀颗粒(质量分数 约为 9%)、环氧树脂、稀释剂、固化剂。其中碳纤维选 用日本东丽生产的 T700-1 2K 无纬布,性能见表 1;负 膨胀颗粒选用上海典扬有限公司生产的 D5 0 ZrW2 O8 颗粒,颗粒纯度为 9 9.7 8%,平均直径为 0.48 μm,具 体成分见表 2;环氧树脂和固化剂选用的是上海奥屯 化工有限公司生产的 E51 环氧树脂和 5 9 3 固化剂;稀 释剂选用无水乙醇。
1.2 实验方法
ZrW2 O8-Cf/E51 复合材料采用模压工艺制备,工 艺流程大致可以分为两个部分:ZrW2 O8/E51 悬浊液 制备和碳纤维浸渗与压力固化,具体见图 1。
1.2.1 ZrW2 O8/E51 悬浊液制备
由于本工作采用的是纳米级颗粒,在潮湿环境中 颗粒之间容易形成液桥,造成颗粒之间的团聚或分散 困难。所以首先将 ZrW2 O8 颗粒放入真空干燥箱中烘 干 0.5 h(1 00 ℃),破坏颗粒间的液桥,便于颗粒分散。 然后,将冷却至室温的颗粒放入无水乙醇中,机械搅拌 2~1 0 min。将 E51 树脂加入到无水乙醇和颗粒的混 合物中,继续搅拌 2 ~1 0 min。将搅拌均匀的悬浊液 放入超声清洗机中超声振动 5~20 min(功率为6 0 W, 频率为 2 5 kHz)。超声完成后,加入 5 9 3 固化剂,搅拌 2~1 0 min。最后,放入真空干燥箱内真空除泡,完成 悬浊液制备。
1.2.2 ZrW2 O8-Cf/E51 复合材料制备
将裁剪好的 T700 无纬布放入悬浊液中揉 搓 均 匀,使悬浊液充分润湿 T700 无纬布。去除无纬布上 多余的悬浊液后按照设定的叠层方式(本工作采用单 向叠层方式)置于模具内。在叠层过程中无纬布层与 层之间均匀的涂刷一层悬浊液,然后将模具与完成叠 层的复合材料一起放入真空干燥箱内真空除泡。除泡 完成后将模具加压,直至 ZrW2 O8-Cf/E51 复合材料完 全固化。