环氧基复合材料共固化胶接的界面结构及其性能研究

来源 :黑龙江省科学院石油化学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:YING1216
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先进树脂基复合材料具有高比强度、高比刚度、设计能力强等一系列优点。在美国,复合材料与钛合金、高强度钢和铝合金一起,被列为飞机的四大结构材料。多年的研究和应用实践证明,树脂基复合材料已广泛应用于航空航天领域,如航空发动机和直升机尾翼等部件。复合材料经过切割或机械加工时会受到严重损伤和弱化,其层间剪切变得更加脆弱。因此复合材料的连接方式多为胶接。根据成型工艺的不同,粘接的形式一般分为以下三种:(1)二次胶接(2)共胶接(3)共固化。共固化胶接一般是指将两个或两个以上有连接关系的复合材料制件,在一个固化周期中同时完成固化成型和胶接成整体制件的工艺方法。其因成型周期短,材料精度高而受到越来越多的研究。目前国内外对共固化的研究更多的是探寻其成型工艺的可行性,以及成型加工后的胶接强度和形变等。对于其在共固化胶接中的界面化学结构演变、界面缺陷等对整体结构的影响研究较少。针对以上问题,以环氧树脂胶粘剂粘接环氧基碳纤维复合材料的胶接体系为主,设计了一个基于显微红外测试的研究共固化胶接界面的方法。选用的环氧树脂胶粘剂由双酚A环氧树脂与4,4’-二氨基二苯砜(DDS)和双氰胺(DICY)组成,环氧树脂预浸料为T300级环氧预浸料。首先通过差示扫描量热法(DSC)和旋转流变学(DHR)、动态热力学分析(DMA)、热力学分析和热重分析对所使用材料的固化动力学参数、热性能和力学性能进行了表征。之后,使用显微红外(Micro-IR)并结合扫描电子显微镜(SEM)以及原子力显微镜(AFM)对共固化及胶结界面的化学和物理结构进行了研究。结合研究结果,通过傅里叶红外光谱(IR),并结合数值模拟分析,对界面内热源的基础差异,导致的温度场差异和固化度场的差异对界面演变的过程进行了研究。最后测试了其在不同温度和采用不同固化工艺的力学性能,作为验证评价手段。最终结果以本文中的环氧树脂胶粘剂粘接环氧基碳纤维复合材料的胶接体系为例,通过DSC、DHR、DMA等手段得出DDS体系的固化温度低于DICY体系,但DICY体系的反应速度快。通过Mirco-IR、SEM发现预浸料中含有砜基的固化剂在固化过程中发生了迁移并形成了界面层。结合AFM发现这种迁移在亚微米阶段达到了峰值。通过红外和数值模拟计算相结合的手段得出以下结论:当加热温度在室温和120℃之间时,随着温度升高,树脂软化,粘度降低,预浸料中的砜类固化剂向胶粘剂层迁移;随着温度继续升高到150℃,迁移形成的界面层发生固化反应且固化速度明显快于预浸料和胶粘剂层。同时,由于固化速度快,过快的凝胶化导致界面缺陷和弱界面层,伴随着界面区域局部交联密度过大。这些缺陷导致复合材料胶接试样在最终剪切测试中性能不佳。综上所述,通过Micro-IR、SEM和AFM研究界面结构组成,结合红外和数值模拟计算研究界面演变过程,并通过力学性能测试,最终建立了针对于异质环氧粘接界面层分析表征方法,将其与界面粘接流变学和材料最终粘接性能建立联系。为以后的学者对异质环氧粘接的界面组成和界面设计提供了一种新的研究思路。
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