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浏览:- 发布日期:2020-08-31 13:27:13【



王国建,孙耀宁,王晓宁,蒋(jiang)万乐(le)

(新(xin)疆大学(xue)机(ji)械(xie)工程学(xue)院,乌鲁木(mu)齐830047)

摘 要(yao):对(dui)玻(bo)璃纤维增强不饱(bao)和(he)(he)聚酯树(shu)脂(zhi)基复合(he)材(cai)料(liao)在温湿环境下进行了(le)人(ren)工紫外(wai)照(zhao)射老(lao)(lao)化(hua)(hua)(hua)试验(yan),研究了(le)紫外(wai)老(lao)(lao)化(hua)(hua)(hua)对(dui)复合(he)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)质(zhi)(zhi)量(liang)损失(shi)(shi)率、巴氏硬度、拉伸与弯曲力学性能及其失(shi)(shi)效形态等的(de)(de)(de)影响,并(bing)对(dui)其微(wei)观形貌和(he)(he)结(jie)构进行了(le)分析(xi).结(jie)果表明:随着(zhe)紫外(wai)老(lao)(lao)化(hua)(hua)(hua)时(shi)(shi)间的(de)(de)(de)延(yan)长,复合(he)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)质(zhi)(zhi)量(liang)损失(shi)(shi)率不断(duan)增加(jia);照(zhao)射面巴氏硬度低于未照(zhao)射面的(de)(de)(de),巴氏硬度保留(liu)率随紫外(wai)老(lao)(lao)化(hua)(hua)(hua)时(shi)(shi)间的(de)(de)(de)延(yan)长呈先(xian)增大后减小(xiao)的(de)(de)(de)趋(qu)势;随着(zhe)紫外(wai)老(lao)(lao)化(hua)(hua)(hua)时(shi)(shi)间的(de)(de)(de)延(yan)长,复合(he)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)拉伸和(he)(he)弯曲强度均呈先(xian)增大后缓慢降(jiang)低的(de)(de)(de)

趋势;老(lao)化(hua)后复合材(cai)料中的(de)孔(kong)隙率和韧性白色条带(dai)数(shu)量增(zeng)加,呈现出明显(xian)的(de)层片状海浪花样;复合材(cai)料中存在(zai)化(hua)学键断(duan)裂的(de)现象,紫外照射使(shi)其化(hua)学结构发生了变化(hua).

关键(jian)词(ci):复合材(cai)料;紫外(wai)老(lao)化;巴氏硬度;质量损失率

中(zhong)图分类号:TB332 文献标(biao)志码(ma):A 文章(zhang)编号:1000G3738(2017)07G0034G05


EffectofUVIrradiationonGlassFiberReinforcedUnsaturatedPolyesterResinCompositeunderWarmGWetEnvironment

WANGGuojian,SUNYaoning,WANGXiaoning,JIANG Wanle


(DepartmentofMechanicalEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi830047,China)

Abstract:ArtificialUVirradiationagingtestunderwarmGwetenvironmentwasconductedforglassfiber

reinforcedunsaturatedpolyesterresincomposite.TheeffectofUVagingonmasslossrate,barcolhardness,tensile

andbendingmechanicalpropertiesandtheirfailurepatternsofcompositewasstudied.Thestructureand micro

morphologywereanalyzed.Resultsshowthatthemasslossrateofcompositeincreasedcontinuelywiththeincrease

ofUVagingtime.ThebarcolhardnessoftheirradiatedsurfacewaslowerthanthatofnonGirradiationsurface,and

theretainedrateofbarcolhardnessincreasedfirstandthendedecreasedwiththeincreaseofUVagingtime.The

tensileandbendingstrengthofcompositewereimprovedfirstandthendecreasedslowly.Cavitydensityandtenacity

whitestripeincompositeafteragingincreased,anditpresentedobviouslamellarwavepattern.Reptureofchemical

bondstookplaceincompositeandUVirradiationmadethestructurechanged.

Keywords:composite;UVaging;barcolhardness;masslossrate


0 引 言

先进树(shu)(shu)脂(zhi)基(ji)复合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)因具有高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)比(bi)强(qiang)度(du)(du)、比(bi)刚(gang)度(du)(du)和(he)(he)优异的(de)(de)(de)(de)(de)耐(nai)腐(fu)蚀性(xing)能(neng)等,近(jin)年来(lai)在航空航天、机械工(gong)程、土木(mu)工(gong)程、风(feng)力发(fa)电等领(ling)域得到了(le)(le)广泛应用[1G2].其中,不饱(bao)和(he)(he)聚酯树(shu)(shu)脂(zhi)(UPR)是(shi)一类通用型树(shu)(shu)脂(zhi),以此(ci)树(shu)(shu)脂(zhi)为基(ji)体的(de)(de)(de)(de)(de)玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)纤(xian)(xian)(xian)维增(zeng)强(qiang)塑料(liao)(liao)(liao)(GFRP)通常称为“玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)钢(gang)”[3],该材(cai)料(liao)(liao)(liao)由玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)纤(xian)(xian)(xian)维增(zeng)强(qiang)体和(he)(he)树(shu)(shu)脂(zhi)基(ji)体构成.GFRP在工(gong)程服役中不可(ke)避免地(di)会(hui)受到光(guang)、温度(du)(du)、氧(yang)(yang)和(he)(he)降(jiang)雨等多种(zhong)介质的(de)(de)(de)(de)(de)腐(fu)蚀和(he)(he)老化(hua)(hua)(hua)(hua)作用,使制品表(biao)面(mian)失去光(guang)泽、造(zao)成树(shu)(shu)脂(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)降(jiang)解等,从而导致GFRP宏观力学(xue)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)退(tui)化(hua)(hua)(hua)(hua).紫外(wai)线照(zhao)射对(dui)树(shu)(shu)脂(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)老化(hua)(hua)(hua)(hua)作用是(shi)一个(ge)沿着(zhe)材(cai)料(liao)(liao)(liao)厚度(du)(du)逐渐深入的(de)(de)(de)(de)(de)过程.在温度(du)(du)、湿度(du)(du)、紫外(wai)线照(zhao)射的(de)(de)(de)(de)(de)条件下,GFRP会(hui)发(fa)生一系列物理(li)化(hua)(hua)(hua)(hua)学(xue)变化(hua)(hua)(hua)(hua),从而降(jiang)低(di)其服役性(xing)能(neng).王荣华等[4]对(dui)光(guang)老化(hua)(hua)(hua)(hua)后(hou)玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)纤(xian)(xian)(xian)维/尼龙(long)66复合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)进行了(le)(le)傅(fu)里(li)叶红外(wai)光(guang)谱(pu)检测(ce),结果表(biao)明(ming)光(guang)作用加速了(le)(le)树(shu)(shu)脂(zhi)基(ji)体自由基(ji)产生的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)效(xiao)应,导致分子(zi)长链的(de)(de)(de)(de)(de)断裂,造(zao)成了(le)(le)材(cai)料(liao)(liao)(liao)表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)粉化(hua)(hua)(hua)(hua)和(he)(he)纤(xian)(xian)(xian)维剥离(li)等老化(hua)(hua)(hua)(hua)现象的(de)(de)(de)(de)(de)发(fa)生.乔琨等[5]对(dui)碳纤(xian)(xian)(xian)维/环氧(yang)(yang)树(shu)(shu)脂(zhi)(CF/EP)复合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)表(biao)明(ming),紫外(wai)辐射导致复合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)态转(zhuan)变温度(du)(du)升高(gao),老化(hua)(hua)(hua)(hua)初期玻(bo)(bo)(bo)璃(li)(li)态转(zhuan)温度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)长率较高(gao),而中后(hou)期的(de)(de)(de)(de)(de)变化(hua)(hua)(hua)(hua)较为平缓.BLIAN[6]分析了(le)(le)紫外(wai)辐射对(dui)层合(he)(he)板(ban)(ban)复合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)影响,研究(jiu)表(biao)明(ming)层合(he)(he)板(ban)(ban)呈现非脆性(xing)断裂的(de)(de)(de)(de)(de)失效(xiao)形态,紫外(wai)线无法穿透层合(he)(he)板(ban)(ban),且拉伸强(qiang)度(du)(du)随辐照(zhao)周期的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加而降(jiang)低(di).


目前(qian),紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)线对玻(bo)(bo)璃(li)纤维增强(qiang)树脂基复合(he)材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)老化(hua)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)还未有系统的(de)(de)(de)研(yan)究,其老化(hua)机理尚不明确,而(er)且没(mei)有考虑光(guang)、度、降水等(deng)(deng)多种因素的(de)(de)(de)综合(he)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong).为(wei)(wei)此,作(zuo)(zuo)(zuo)者采用(yong)(yong)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)灯老化(hua)箱来模拟并强(qiang)化(hua)自然环境中(zhong)(zhong)太阳光(guang)中(zhong)(zhong)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)线的(de)(de)(de)辐射强(qiang)度,综合(he)考虑温度、降水等(deng)(deng)多种因素的(de)(de)(de)共同(tong)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong),研(yan)究了(le)(le)温湿(shi)环境下紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)照(zhao)射对玻(bo)(bo)璃(li)纤维增强(qiang)不饱和聚酯树脂基复合(he)材料(liao)(liao)表(biao)面(mian)形貌、结构及力学性(xing)能(neng)等(deng)(deng)的(de)(de)(de)影响(xiang),对其光(guang)老化(hua)的(de)(de)(de)机理进(jin)(jin)行了(le)(le)初步探索.的(de)(de)(de)UVAG340紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)灯,按GB/T14522-2008标准«机械工(gong)业产品用(yong)(yong)塑料(liao)(liao)、涂料(liao)(liao)、橡胶材料(liao)(liao)人(ren)工(gong)气候老化(hua)试验方法荧光(guang)紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)灯»对试样进(jin)(jin)行紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)灯人(ren)工(gong)加速老化(hua)试验.加速老化(hua)试验的(de)(de)(de)参数:紫(zi)(zi)(zi)外(wai)(wai)(wai)(wai)光(guang)强(qiang)度为(wei)(wei)0.85 W??m-2;老化(hua)温度为(wei)(wei)(60±3)℃;相对湿(shi)度为(wei)(wei)65%;每个老化(hua)暴露(lu)周期(qi)均包括8h干燥、0.25h喷淋、3.75h冷(leng)凝;老化(hua)时间为(wei)(wei)1440h,分(fen)别在0,160,320,640,960,1440h后(hou)取出试样进(jin)(jin)行相应的(de)(de)(de)测(ce)试.


采用(yong)CMT5205型(xing)力学试(shi)(shi)(shi)(shi)验机进行(xing)拉(la)伸(shen)(shen)、弯曲测(ce)试(shi)(shi)(shi)(shi),拉(la)伸(shen)(shen)试(shi)(shi)(shi)(shi)验按(an)照(zhao)GB/T1040.5-2008标准,试(shi)(shi)(shi)(shi)样(yang)尺寸为(wei)250mm×25mm×5mm,拉(la)伸(shen)(shen)时速(su)度为(wei)2mm??min-1;弯曲试(shi)(shi)(shi)(shi)验按(an)照(zhao)GB/T1449-2005标准,试(shi)(shi)(shi)(shi)样(yang)尺寸为(wei)250mm×15mm×5mm,弯曲压下速(su)度为(wei)2mm??min-1.采用(yong)GYZJ934型(xing)巴氏(shi)硬(ying)度计,对紫(zi)(zi)外老化试(shi)(shi)(shi)(shi)样(yang)的(de)照(zhao)射面(mian)(正面(mian))和(he)非(fei)照(zhao)射面(mian)(反面(mian))分别进行(xing)硬(ying)度测(ce)试(shi)(shi)(shi)(shi).如果试(shi)(shi)(shi)(shi)样(yang)的(de)巴氏(shi)硬(ying)度高于50HBa,取(qu)(qu)试(shi)(shi)(shi)(shi)样(yang)的(de)8个点(dian)进行(xing)测(ce)试(shi)(shi)(shi)(shi),否则取(qu)(qu)15个点(dian)进行(xing)测(ce)试(shi)(shi)(shi)(shi),最后取(qu)(qu)其平均值(zhi)(zhi)作(zuo)为(wei)该试(shi)(shi)(shi)(shi)样(yang)的(de)巴氏(shi)硬(ying)度.巴氏(shi)硬(ying)度保留率为(wei)辐照(zhao)一定时间(jian)后的(de)巴氏(shi)硬(ying)度值(zhi)(zhi)与未(wei)经紫(zi)(zi)外照(zhao)射巴氏(shi)硬(ying)度的(de)比值(zhi)(zhi).


1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

玻(bo)(bo)(bo)璃(li)纤(xian)维预浸(jin)(jin)(jin)带(dai)来自南京玻(bo)(bo)(bo)璃(li)钢研究(jiu)设计院(yuan),预浸(jin)(jin)(jin)带(dai)主要(yao)由(you)E型玻(bo)(bo)(bo)璃(li)纤(xian)维2D 编织而成(cheng),铺(pu)层方式为(wei)[(0,90)/(±45)]3;牌号G300的(de)不(bu)饱(bao)和聚酯树脂(UP)、固(gu)(gu)化(hua)(hua)剂(ji)S688和稀释(shi)剂(ji)均来自亚什兰特(te)种(zhong)化(hua)(hua)学品有限公司.采(cai)用真(zhen)空(kong)(kong)袋压成(cheng)型工艺,纤(xian)维的(de)体积分数为(wei)60%.复合材料(liao)(liao)制(zhi)备的(de)步骤为(wei):检查(cha)模具的(de)密封性(xing);预浸(jin)(jin)(jin)纤(xian)维布(bu)铺(pu)放与抽真(zhen)空(kong)(kong),依次铺(pu)放预浸(jin)(jin)(jin)纤(xian)维布(bu)、脱模纸、真(zhen)空(kong)(kong)袋膜,通入树脂导流管,密封抽真(zhen)空(kong)(kong);常温(wen)固(gu)(gu)化(hua)(hua)48h,固(gu)(gu)化(hua)(hua)剂(ji)能量比(bi)为(wei)25%;后固(gu)(gu)化(hua)(hua)阶段(duan),高温(wen)后固(gu)(gu)化(hua)(hua)12h完成(cheng)玻(bo)(bo)(bo)璃(li)纤(xian)维不(bu)饱(bao)和聚酯树脂基(ji)复合材料(liao)(liao)的(de)制(zhi)备.

1.2 试验方法

采用SUG8010型扫描电(dian)镜(SEM)观察复合(he)材(cai)(cai)料老(lao)化前后的形貌;采用Magna750FTGIR型傅(fu)里变换红外光(guang)谱仪测试(shi)材(cai)(cai)料的组(zu)成结构;采用LUVGII型紫外加速老(lao)化试(shi)验箱(xiang)进行(xing)加速老(lao)化试(shi)验,利用能量较高(gao)的短(duan)波紫外光(guang)进行(xing)照射.

老化(hua)光源为3根南京华(hua)强电子有限公司生产的UVAG340紫外灯(deng),按(an)GB/T14522-2008标准«机械(xie)工(gong)业产品用塑料(liao)、涂料(liao)、橡胶材料(liao)人(ren)工(gong)气候(hou)老化(hua)试验方法(fa)荧光紫外灯(deng)»对试样进行紫外灯(deng)人(ren)

工加速老(lao)化(hua)试验.加速老(lao)化(hua)试验的参数:紫外光(guang)强(qiang)度为0.85 W??m-2;老(lao)化(hua)温度为(60±3)℃;相对湿度为65%;每(mei)个老(lao)化(hua)暴露(lu)周期均包括(kuo)8h干燥、

0.25h喷(pen)淋(lin)、3.75h冷凝;老化时(shi)间(jian)为1440h,分(fen)别在0,160,320,640,960,1440h后取出试样(yang)进(jin)行相应(ying)的测试.

采用CMT5205型力学试(shi)验(yan)机(ji)进(jin)行(xing)拉伸、弯(wan)曲测(ce)(ce)试(shi),拉伸试(shi)验(yan)按照(zhao)(zhao)(zhao)GB/T1040.5-2008标(biao)准,试(shi)样(yang)尺寸为(wei)(wei)250mm×25mm×5mm,拉伸时速度(du)为(wei)(wei)2mm??min-1;弯(wan)曲试(shi)验(yan)按照(zhao)(zhao)(zhao)GB/T1449-2005标(biao)准,试(shi)样(yang)尺寸为(wei)(wei)250mm×15mm×5mm,弯(wan)曲压(ya)下速度(du)为(wei)(wei)2mm??min-1.采用GYZJ934型巴(ba)(ba)氏(shi)(shi)(shi)硬度(du)计,对(dui)紫外老化试(shi)样(yang)的(de)照(zhao)(zhao)(zhao)射(she)面(mian)(正面(mian))和非(fei)照(zhao)(zhao)(zhao)射(she)面(mian)(反(fan)面(mian))分别进(jin)行(xing)硬度(du)测(ce)(ce)试(shi).如果试(shi)样(yang)的(de)巴(ba)(ba)氏(shi)(shi)(shi)硬度(du)高于50HBa,取(qu)(qu)试(shi)样(yang)的(de)8个(ge)点进(jin)行(xing)测(ce)(ce)试(shi),否(fou)则取(qu)(qu)15个(ge)点进(jin)行(xing)测(ce)(ce)试(shi),最后取(qu)(qu)其(qi)平均值作为(wei)(wei)该试(shi)样(yang)的(de)巴(ba)(ba)氏(shi)(shi)(shi)硬度(du).巴(ba)(ba)氏(shi)(shi)(shi)硬度(du)保留(liu)率为(wei)(wei)辐照(zhao)(zhao)(zhao)一定时间后的(de)巴(ba)(ba)氏(shi)(shi)(shi)硬度(du)值与(yu)未经(jing)紫外照(zhao)(zhao)(zhao)射(she)巴(ba)(ba)氏(shi)(shi)(shi)硬度(du)的(de)比值.

2 试验结果与讨论

2.1 表面形貌

从图1可看出(chu),紫(zi)外照射(she)后(hou)试样表面出(chu)现(xian)变(bian)色(se)、龟(gui)裂(lie)(lie)(lie)(lie)及翘曲(qu)变(bian)形等(deng)现(xian)象,且随老化时(shi)间(jian)的延长,表面颜色(se)不断加深.这(zhei)是(shi)由于不饱和(he)聚酯树(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)吸收紫(zi)外线后(hou)发生(sheng)分(fen)子链断裂(lie)(lie)(lie)(lie),并与空气中的O2 发生(sheng)光氧(yang)化反(fan)应,产生(sheng)新(xin)的发色(se)基(ji)团;在(zai)紫(zi)外线、温(wen)度和(he)温(wen)度三种因素的共同(tong)作用下[7G10],树(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)中交(jiao)联(lian)的酯键发生(sheng)水解反(fan)应,从而引起聚合物分(fen)子链的断裂(lie)(lie)(lie)(lie)和(he)解交(jiao)联(lian),树(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)基(ji)体(ti)内部产生(sheng)微(wei)裂(lie)(lie)(lie)(lie)纹,微(wei)裂(lie)(lie)(lie)(lie)纹进一步扩展(zhan)导致基(ji)体(ti)的开(kai)裂(lie)(lie)(lie)(lie),而增强相玻璃(li)纤(xian)维中的Si-O-Si链不易发生(sheng)水解反(fan)应,能够提(ti)高其化学稳定性[11G12].

图1 紫外老化不同时间后试样表面形貌的变化


2.2 质量损失率

由图2可见:随着紫(zi)外老化(hua)时间的(de)延(yan)长,试(shi)样(yang)的(de)质量(liang)损(sun)失率不断地增加(jia);经(jing)过1440h老化(hua)后试(shi)样(yang)的(de)质量(liang)损(sun)失率达(da)到(dao)了4.2%;在最(zui)初320h内试(shi)样(yang)的(de)质量(liang)损(sun)失较为严重,其质量(liang)损(sun)失率达(da)到(dao)了近1.4%.这主要(yao)是因为:在老化(hua)前期,温度和紫(zi)外照射共同(tong)作(zuo)用导(dao)致残余固化(hua)剂与水分(fen)子(zi)的(de)挥发以及光化(hua)学反(fan)应导(dao)致树脂分(fen)子(zi)的(de)降解[13];在老化(hua)后期,残余固化(hua)剂

和(he)(he)水分(fen)(fen)子的(de)挥发(fa)已基(ji)本完成,仅发(fa)生树脂(zhi)分(fen)(fen)子的(de)降解,所以在(zai)老化(hua)(hua)(hua)前期(qi)试样(yang)的(de)质(zhi)量(liang)损(sun)失较(jiao)为严重.16.7%和(he)(he)15.6%,弹性模量(liang)和(he)(he)弯曲模量(liang)分(fen)(fen)别下(xia)降了(le)23.8%和(he)(he)22%.在(zai)老化(hua)(hua)(hua)初(chu)期(qi),温度(du)(du)和(he)(he)紫外线(xian)的(de)共同(tong)作用(yong)使(shi)试样(yang)产(chan)生后固(gu)化(hua)(hua)(hua)效应,树脂(zhi)中大分(fen)(fen)子链延(yan)长,试样(yang)的(de)塑化(hua)(hua)(hua)度(du)(du)增加,强(qiang)度(du)(du)增加;但在(zai)老化(hua)(hua)(hua)后期(qi),试样(yang)中的(de)光氧化(hua)(hua)(hua)与(yu)水解反应起主导作用(yong),容易形成裂纹(wen)和(he)(he)孔隙(xi),玻璃纤维和(he)(he)基(ji)体(ti)的(de)界面(mian)结合强(qiang)度(du)(du)降低,导致试样(yang)的(de)拉伸与(yu)弯曲强(qiang)度(du)(du)和(he)(he)模量(liang)下(xia)降.

试样损失紫外线变化曲线


2.3 巴氏硬度

由图3可知:经过1440h紫(zi)外(wai)照(zhao)(zhao)射后,试样(yang)照(zhao)(zhao)射面(mian)(mian)的巴氏(shi)硬度(du)保(bao)留率(lv)(lv)为(wei)88.6%,而在紫(zi)外(wai)照(zhao)(zhao)射160h时试样(yang)照(zhao)(zhao)射面(mian)(mian)的巴氏(shi)硬度(du)保(bao)留率(lv)(lv)为(wei)104.2%;试验结束(shu)后试样(yang)非照(zhao)(zhao)射面(mian)(mian)的巴氏(shi)硬度(du)保(bao)留率(lv)(lv)为(wei)98.6%,其(qi)变(bian)化趋(qu)势(shi)与照(zhao)(zhao)射面(mian)(mian)的一致(zhi),先升后降(jiang).在老(lao)化初期,树脂(zhi)基体中未(wei)完全固(gu)化的不(bu)饱和双键与空气(qi)或者水中的氧(yang)元素发生后固(gu)化反应,使树脂(zhi)的交联(lian)程度(du)增加,所(suo)以巴氏(shi)硬度(du)增大(da);随着紫(zi)外(wai)老(lao)化时间的延长,试样(yang)表(biao)面(mian)(mian)发生了树脂(zhi)分子(zi)的光(guang)氧(yang)化降(jiang)解(jie),这导致(zhi)了巴氏(shi)硬度(du)的降(jiang)低.

试样不同表面巴氏硬度保留率随紫外老化时间的变化曲线

2.4 拉伸与弯曲性能

由图4可看出:随着紫(zi)外(wai)老(lao)化(hua)时间(jian)的延长(zhang),试样的拉伸与弯(wan)曲(qu)强(qiang)度(du)和(he)(he)(he)模量均呈(cheng)先增大后减(jian)小的变化(hua)趋势;老(lao)化(hua)时间(jian)为(wei)160h时,试样的拉伸强(qiang)度(du)和(he)(he)(he)弯(wan)曲(qu)强(qiang)度(du)分别(bie)提(ti)高(gao)了9.9%和(he)(he)(he)6.2%;弹性模量和(he)(he)(he)弯(wan)曲(qu)模量分别(bie)提(ti)高(gao)了7.1%和(he)(he)(he)19%;当老(lao)化(hua)时间(jian)达到1440h时,拉伸强(qiang)度(du)和(he)(he)(he)弯(wan)曲(qu)强(qiang)度(du)与老(lao)化(hua)前相比(bi)分别(bie)下(xia)降了16.7%和(he)(he)(he)15.6%,弹性模量和(he)(he)(he)弯(wan)曲(qu)模量分别(bie)下(xia)降了23.8%和(he)(he)(he)22%.在老(lao)化(hua)初(chu)期,温度(du)和(he)(he)(he)紫(zi)外(wai)线的共同作用(yong)使试样产生后固化(hua)效应,树脂中(zhong)大分子链延长(zhang),

试样(yang)的塑化(hua)度增(zeng)加(jia),强(qiang)度增(zeng)加(jia);但在老化(hua)后期,试样(yang)中的光氧化(hua)与水解反应(ying)起主导(dao)作用,容易(yi)形成(cheng)裂纹(wen)和孔隙,玻璃(li)纤维和基体的界(jie)面结合强(qiang)度降低,导(dao)致试样(yang)的拉伸与弯曲强(qiang)度和模量下降.

试(shi)(shi)验(yan)中观察到试(shi)(shi)样的拉伸失(shi)效形态(tai)可(ke)分三类:爆裂(lie)(lie)型(xing)、层间剪切型(xing)和复合型(xing).由图5(a)可(ke)见(jian),试(shi)(shi)样中大量(liang)纤维束从基体(ti)中拔脱并(bing)断(duan)(duan)裂(lie)(lie),基体(ti)开裂(lie)(lie),失(shi)效形态(tai)为爆裂(lie)(lie)型(xing)破坏(huai).由图5(b)可(ke)见(jian),试(shi)(shi)样中少量(liang)纤维断(duan)(duan)裂(lie)(lie),出现明(ming)显的层间剥离,这表明(ming)试(shi)(shi)样的抗拉

性能较好,失效(xiao)形(xing)态(tai)以层(ceng)(ceng)间(jian)(jian)剪(jian)(jian)(jian)切(qie)型为主.由(you)图5(c)可(ke)(ke)见,+45°方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)纤(xian)(xian)维束从基(ji)(ji)体中拔(ba)脱与断(duan)(duan)裂(lie)(lie),-45°方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)基(ji)(ji)体开裂(lie)(lie),这属于复(fu)(fu)(fu)合型失效(xiao)模态(tai).试(shi)验中观(guan)察(cha)到(dao)试(shi)样(yang)(yang)的(de)(de)弯曲(qu)失效(xiao)形(xing)态(tai)也(ye)可(ke)(ke)分三类:压(ya)(ya)溃型、层(ceng)(ceng)间(jian)(jian)剪(jian)(jian)(jian)切(qie)型和复(fu)(fu)(fu)合型,如图6所示(shi).压(ya)(ya)溃型失效(xiao)是(shi)加(jia)(jia)载点附近的(de)(de)表层(ceng)(ceng)玻璃(li)纤(xian)(xian)维首(shou)先(xian)受到(dao)破(po)(po)坏(huai)(huai)(huai),继(ji)续(xu)加(jia)(jia)载时,破(po)(po)坏(huai)(huai)(huai)区域逐渐向(xiang)(xiang)(xiang)试(shi)样(yang)(yang)的(de)(de)内部发展(zhan)(zhan),形(xing)成竖向(xiang)(xiang)(xiang)断(duan)(duan)裂(lie)(lie),最后(hou)试(shi)样(yang)(yang)下表面的(de)(de)玻璃(li)纤(xian)(xian)维被(bei)拉(la)断(duan)(duan).层(ceng)(ceng)间(jian)(jian)剪(jian)(jian)(jian)切(qie)型失效(xiao)是(shi)在(zai)(zai)压(ya)(ya)应力(li)作用(yong)下,首(shou)先(xian)在(zai)(zai)纤(xian)(xian)维与基(ji)(ji)体的(de)(de)缺陷处萌生裂(lie)(lie)纹,并沿平行于纤(xian)(xian)维方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)扩(kuo)展(zhan)(zhan);随(sui)着载荷的(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia),裂(lie)(lie)纹密度不断(duan)(duan)增(zeng)(zeng)大,裂(lie)(lie)纹迅(xun)速在(zai)(zai)纤(xian)(xian)维束间(jian)(jian)扩(kuo)展(zhan)(zhan)并向(xiang)(xiang)(xiang)基(ji)(ji)体延伸,导(dao)致(zhi)纤(xian)(xian)维与树脂基(ji)(ji)体剥离,现层(ceng)(ceng)间(jian)(jian)剪(jian)(jian)(jian)切(qie)破(po)(po)坏(huai)(huai)(huai);在(zai)(zai)层(ceng)(ceng)间(jian)(jian)剪(jian)(jian)(jian)切(qie)破(po)(po)坏(huai)(huai)(huai)形(xing)成的(de)(de)同时,裂(lie)(lie)纹沿层(ceng)(ceng)间(jian)(jian)向(xiang)(xiang)(xiang)基(ji)(ji)体延伸,形(xing)成微区层(ceng)(ceng)间(jian)(jian)脱粘(zhan),最终导(dao)致(zhi)试(shi)样(yang)(yang)的(de)(de)局部失效(xiao)破(po)(po)坏(huai)(huai)(huai).复(fu)(fu)(fu)合型失效(xiao)是(shi)压(ya)(ya)应力(li)破(po)(po)坏(huai)(huai)(huai)和层(ceng)(ceng)间(jian)(jian)剪(jian)(jian)(jian)切(qie)破(po)(po)坏(huai)(huai)(huai)两者形(xing)态(tai)引起(qi)的(de)(de)基(ji)(ji)体开裂(lie)(lie)和分层(ceng)(ceng)剥离,由(you)于纤(xian)(xian)维增(zeng)(zeng)强复(fu)(fu)(fu)合材料(liao)层(ceng)(ceng)板的(de)(de)抗弯强度远大于其(qi)层(ceng)(ceng)间(jian)(jian)剪(jian)(jian)(jian)切(qie)强度,因(yin)此在(zai)(zai)纤(xian)(xian)维未达(da)到(dao)其(qi)断(duan)(duan)裂(lie)(lie)强度时,试样就已发生脱粘剥离而导致最终的失效[14].

图5 老化后试样的拉伸失效形态

老化后试样的弯曲失效形态


2.5 表(biao)面SEM 形貌

由图7可(ke)见:未老(lao)(lao)(lao)化(hua)(hua)试(shi)样的(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)平(ping)滑(hua);经160h老(lao)(lao)(lao)化(hua)(hua)后(hou),试(shi)样表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)致密层被破坏,表(biao)面(mian)变得疏松并出(chu)现(xian)较多凹坑(keng);经640h老(lao)(lao)(lao)化(hua)(hua)后(hou),试(shi)样表(biao)面(mian)出(chu)现(xian)孔隙并产(chan)生明显的(de)(de)(de)(de)韧性(xing)白色条带,这(zhei)(zhei)是由聚合物的(de)(de)(de)(de)光氧化(hua)(hua)和(he)(he)吸湿蠕变造成(cheng)的(de)(de)(de)(de);当老(lao)(lao)(lao)化(hua)(hua)时(shi)间(jian)延长到1440h时(shi),孔隙率和(he)(he)韧性(xing)白色条带数(shu)量骤增,呈现(xian)出(chu)明显的(de)(de)(de)(de)层片(pian)状海浪花样.这(zhei)(zhei)表(biao)明了(le)随着老(lao)(lao)(lao)化(hua)(hua)时(shi)间(jian)的(de)(de)(de)(de)延长,表(biao)面(mian)缺陷增多,而基体的(de)(de)(de)(de)孔隙与微裂纹又加剧了(le)光氧化(hua)(hua)和(he)(he)吸湿蠕变效应,进(jin)一步(bu)使纤维/基体界面(mian)结合强度降低(di),最(zui)终导致试(shi)样宏观力学性(xing)能的(de)(de)(de)(de)退化(hua)(hua).

2.6 红外光谱(pu)

从图8可以看到[15],经(jing)紫外辐照后,试样在红外光谱(pu)中(zhong)吸收峰(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)数量不变(bian),但吸收峰(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)面积(ji)发生了变(bian)化.例如:3496cm-1处(chu)代表的(de)(de)(de)(de)是(shi)羟基OH 的(de)(de)(de)(de)伸(shen)缩(suo)振(zhen)动(dong)(dong)峰(feng)(feng),1640cm-1处(chu)代表的(de)(de)(de)(de)是(shi)聚酯不饱(bao)和双键C=C的(de)(de)(de)(de)伸(shen)缩(suo)振(zhen)动(dong)(dong)峰(feng)(feng),两(liang)者振(zhen)动(dong)(dong)峰(feng)(feng)的(de)(de)(de)(de)面积(ji)均增大;2931cm-1处(chu)代表的(de)(de)(de)(de)是(shi)亚(ya)甲基的(de)(de)(de)(de)C-H 的(de)(de)(de)(de)不对称伸(shen)缩(suo)振(zhen)动(dong)(dong)峰(feng)(feng),1727cm-1处(chu)是(shi)羧基C=O 的(de)(de)(de)(de)伸(shen)缩(suo)振(zhen)动(dong)(dong)峰(feng)(feng),1600cm-1处(chu)是(shi)苯(ben)环的(de)(de)(de)(de)特(te)征峰(feng)(feng),1450cm-1处(chu)是(shi)C-H 键的(de)(de)(de)(de)弯曲振(zhen)动(dong)(dong)峰(feng)(feng),1261cm-1处(chu)是(shi)OH 键的(de)(de)(de)(de)

弯(wan)曲振(zhen)动(dong)峰(feng)(feng),1068cm-1处(chu)是C-O 键的(de)伸缩振(zhen)动(dong)峰(feng)(feng),840cm-1处(chu)是聚(ju)丙烯中(zhong)C-H 键的(de)弯(wan)曲振(zhen)动(dong)峰(feng)(feng),745cm-1处(chu)是单取代苯(ben)的(de)C-H 摇摆(bai)振(zhen)动(dong)峰(feng)(feng),这些振(zhen)动(dong)峰(feng)(feng)的(de)面积均减小.这表明复(fu)合材料中(zhong)存在化学键断裂(lie)的(de)现象,紫外线照射使(shi)其化学结(jie)构发生(sheng)了改(gai)变.


图7 经不同时间老化后试样的SEM 形貌

图8 紫外老化前后试样的红外光谱


3 结 论

(1)在紫(zi)外(wai)线、湿度(du)和温度(du)三(san)种因(yin)素的共同作用(yong)下,复合材料表(biao)面逐渐出现泛(fan)黄、龟裂(lie)及翘曲变(bian)形等现象(xiang),且随(sui)紫(zi)外(wai)老化时间的延长(zhang),表(biao)面颜色不断加

深.

(2)随着(zhe)紫外(wai)老化时间的(de)延(yan)长,复合材料的(de)质(zhi)量损(sun)失率不断增加;在最初的(de)320h内质(zhi)量损(sun)失较(jiao)为严重(zhong),质(zhi)量损(sun)失率达到了1.4%,经过(guo)1440h老化后(hou)质(zhi)量损(sun)失率达到了4.2%.

(3)复合材料照射(she)面(mian)和非照射(she)面(mian)的(de)巴(ba)氏(shi)硬(ying)度保(bao)留(liu)率均随(sui)紫外老化时间的(de)延(yan)长呈先(xian)增大后减(jian)小的(de)趋势;经(jing)过1440h紫外线(xian)照射(she)后,照射(she)面(mian)的(de)巴(ba)氏(shi)硬(ying)度保(bao)留(liu)率为(wei)88.6%,而非照射(she)面(mian)的(de)巴(ba)氏(shi)硬(ying)度保(bao)留(liu)率为(wei)98.6%.

(4)随着(zhe)紫外老化时间的延长(zhang),复合(he)材(cai)料(liao)的拉伸、弯曲强(qiang)度和模(mo)量均呈先增大后减(jian)小的趋势.

(5)聚合物的光氧化和吸湿蠕变效应(ying)导致复合材(cai)料(liao)表面孔(kong)隙率(lv)和韧性白色条数量增加(jia),微观形貌呈现出明显的层(ceng)片(pian)状海浪花样.

(6)复合材料中存在化学键(jian)断裂的现(xian)象,紫外(wai)照射使其化学结构发生了改变.

(文章:材料测试网-机械工程材料

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