纤维增强树脂-铝合金叠层复合材料及其成型基础研究

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纤维增强树脂基复合材料和铝合金均为应用广泛的结构材料,其中纤维增强树脂基复合材料在比强度、比模量、设计性、腐蚀、耐久、经济等方面优势明显,铝合金则在力学性能、导热、腐蚀、耐磨、质感等方面优势明显。基于现代材料复合的成型理论与方法,将纤维增强树脂基复合材料和铝合金叠层复合,可望获得兼具纤维增强树脂基复合材料、铝合金各自优点,综合技术、经济性能优异的增强树脂基复合材料-铝合金叠层复合材料及其制件。可发展金属-非金属复合新材料、新方法,可在3C、交通运输工具、建筑、国防等领域获得重要的、广泛的应用。  本论文主要工作及成果如下:  ①研究了铝合金、玻璃纤维与760E环氧树脂的动态接触角,结果表明:  铝合金、玻璃纤维与760E环氧树脂动态接触角受三相接触线移动速率的影响,测得的铝合金与树脂的动态接触角为36.35°(速度0.05mm/s)、玻璃纤维与树脂的动态接触角为51.08°(速度0.01mm/s)。铝合金-树脂、纤维-树脂材料制备中应选择较好润湿效果相对应的三相接触线移动速率。  ②根据纤维增强树脂-铝合金叠层复合材料预期应用需求,研究设计了纤维增强树脂-铝合金叠层复合材料结构并筛选了叠层材料,重点研究了5xxx铝合金薄板与正交玻璃纤维布增强760E环氧树脂预浸料的叠层复合,获得了效果良好的复合试样。  ③研究了铝合金、玻璃纤维的表面处理方法以及纤维增强树脂-铝合金叠层复合工艺,结果表明:  铝合金采用表面机械粗化、化学氧化及机械-化学联合处理等表面处理方法均适于纤维增强树脂-铝合金叠层复合,其中机械-化学联合处理方法有效增大了铝合金的比表面积,纤维增强树脂-铝合金叠层复合效果好;真空罐注成型工艺制备的预浸料厚度均匀、致密性好;热压固化成型工艺可使铝合金和预浸料良好复合;偶联剂在预浸料制备及热压复合工艺中均有十分重要的作用。  ④测试分析了纤维增强树脂-铝合金叠层复合材料的拉伸、弯曲、压缩等静态力学性能。结果表明:  叠层复合材料拉伸性能与底胶用量、拉伸载荷方向及预浸料厚度等因素有关:底胶用量增加,拉伸强度和拉伸模量会降低;0°方向拉伸性能明显高于45°方向;0°方向拉伸强度比铝合金提高28%,拉伸模量比预浸料提高32.7%。叠层复合材料的密度为2.1g/cm2,为铝合金的75%,比强度比铝合金高80.1%;叠层板铝合金一侧的挠度大于复合材料一侧的挠度,弯曲模量相差很小;但是0°方向弯曲性能要远高于45°方向。0°方向叠层复合材料的弯曲强度为341.83MPa,比铝合金高81.4%,比预浸料提高16.2%。0°和45°叠层板的压缩模量相差不大,压缩强度差异比较明显:0°方向叠层板的压缩性能比较好;0°层板试样的测试稳定性远远高于45°叠层板试样。压缩失效模式属于纵向劈裂与屈曲破坏的混合失效。  ⑤研究了纤维增强树脂-铝合金叠层复合材料的剪切强度和界面剥离强度及其影响因素,结果说明:  在±45°拉伸剪切试验中,铝合金表面底胶含量对于剪切模量影响较小,对于剪切强度和剪切应变影响较大;不同加载速率对于破坏强度和剪切强度无明显影响,试验中可以选择较高速率以提高试验效率。  底胶含量增加,剥离强度值增大;拉伸速度增加,剥离强度值也越大。叠层复合材料剥离失效集中于富树脂层和铝合金/富树脂层界面处。
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