劉丹丹

(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 荊州 434023)

PBO纖維在高溫、高壓和嚴(yán)酷化學(xué)環(huán)境下具有卓越的穩(wěn)定性,耐燒蝕性能優(yōu)異,殘?zhí)柯矢?因而可作為絕熱層候選材料。酚醛樹(shù)脂是一種具有良好燒蝕性能的復(fù)合材料樹(shù)脂基體[1]。為制備先進(jìn)的樹(shù)脂基復(fù)合材料——PBO纖維/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料,在試驗(yàn)階段,需要對(duì)PBO纖維/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試,如何得到測(cè)試樣條,如何對(duì)其進(jìn)行切割加工,保證有理想的切口質(zhì)量,是一個(gè)有待解決的技術(shù)問(wèn)題。由于PBO纖維具有比芳綸更高的比強(qiáng)度和比模量,因此本試驗(yàn)所制備的PBO纖維/酚醛樹(shù)脂單向復(fù)合材料與傳統(tǒng)的單向復(fù)合材料的性能顯著不同,用一般的機(jī)械切割方法根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)樣品的裁切。曾試圖用激光切割、火焰切割、等離子切割等,但發(fā)現(xiàn)切割后復(fù)合材料表面燒焦變黑,嚴(yán)重影響后續(xù)各種測(cè)試。因此必須應(yīng)用另一種特種加工技術(shù)——水射流切割技術(shù)。水射流切割技術(shù)的發(fā)展來(lái)源于“水滴石穿”。水滴石穿是微小的沖量對(duì)時(shí)間的積分。高壓水射流切割利用增壓器將水加壓,水獲得壓力能,再?gòu)募?xì)小的噴嘴噴射而出,將壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,從而形成高速射流。利用這種高速射流的動(dòng)能對(duì)工件的沖擊破壞作用,達(dá)到切斷的目的[2]。有研究者研究了切割工藝對(duì)切割斷面質(zhì)量的影響[3],這些研究主要集中在金屬材料、陶瓷、大理石等無(wú)機(jī)材料[4～6]。研究者提到水射流切割技術(shù)可應(yīng)用于復(fù)合材料的切割[7～8],但其切割質(zhì)量如何還未見(jiàn)報(bào)道。本文主要研究對(duì)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行水射流切割時(shí),材料的性能和切割方向?qū)η懈顢嗝尜|(zhì)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

日本某公司的PBO纖維(ZYLON AS),丙酮(分析純),改性酚醛樹(shù)脂;德國(guó)某公司的偶聯(lián)劑(A-187);甲苯(分析純)。

1.2 PBO纖維的表面處理

將PBO纖維用無(wú)水乙醇浸泡24 h后用蒸餾水充分清洗,干燥備用(該纖維稱(chēng)為纖維A)。以甲苯為溶劑,配置一定濃度的偶聯(lián)劑A-187溶液。將纖維A放在偶聯(lián)劑中浸泡一定的時(shí)間后取出,置于烘箱烘干后,放入HD-1B型等離子儀中,控制一定的處理時(shí)間、功率和氣壓,用氧氣低溫等離子體對(duì)其表面進(jìn)行改性,改性后的纖維稱(chēng)為纖維B。

1.3 PBO纖維/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料的制備

首先將酚醛樹(shù)脂和無(wú)水乙醇以1∶1的質(zhì)量比在室溫下充分?jǐn)嚢柚瞥蓸?shù)脂溶液。將PBO纖維單層單向地纏繞在纏繞機(jī)上,然后涂覆酚醛樹(shù)脂溶液,控制一定的樹(shù)脂含量,在室溫下干燥24 h制得預(yù)浸料,然后將預(yù)浸料單向逐層疊放。置于模具后放置在平板硫化機(jī)中分段固化。120℃固化80min,130℃固化40min,160℃固化35min,最后在15MPa,170℃固化90min。保壓冷卻至室溫,取出樣品備用。

1.4 試樣的切割

所需試樣尺寸為20mm×6mm×2.2mm。利用AUTOCAD繪制出合理的排樣圖,采用磨料水射流切割技術(shù)對(duì)不同的單向復(fù)合材料板進(jìn)行切割。水的噴口直徑為0.3mm,水速為100mm/min,水壓為300MPa。

1.5 單向復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試

單向復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度參照J(rèn)C/T773-1996標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。將試樣放于萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(Sintech 2/DL)上進(jìn)行層間剪切強(qiáng)度的測(cè)試。試樣跨距10mm,加載速度1mm/min。

1.6 復(fù)合材料表面的親水性

利用液滴形狀法測(cè)定單向復(fù)合材料表面與水的靜態(tài)接觸角。液滴大小用微量注射器控制在1 μ l左右。所用儀器為德國(guó)某公司的靜態(tài)表面接觸角測(cè)定儀OCA15。

1.7 纖維及單向復(fù)合材料微觀形貌的分析

將PBO纖維及其單向復(fù)合材料噴金處理,用德國(guó)的 LEO VP1530型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)。測(cè)試電壓:10 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 水切割方向?qū)嗝尜|(zhì)量的影響

PBO纖維/酚醛樹(shù)脂單向復(fù)合材料在制備過(guò)程中是單向疊放,在切割過(guò)程中沿不同方向切割后,用肉眼觀察發(fā)現(xiàn)其截面質(zhì)量明顯不同。以纖維A/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料為例,探討水切割方向?qū)嗝尜|(zhì)量的影響,圖1a是平行于纖維方向進(jìn)行切割后,將其截面放大25倍,發(fā)現(xiàn)上面有很多細(xì)小纖維。而垂直于纖維方向進(jìn)行切割時(shí),其截面基本無(wú)毛刺,即使放大到500倍也看不到纖維毛刺。由此可得出,沿著平行于纖維方向切割,其斷面效果較差,這可能是由于PBO纖維表面光滑,與酚醛樹(shù)脂的結(jié)合較差,所以沿著平行于纖維的方向切割時(shí),與樹(shù)脂結(jié)合差的纖維在水切割力的作用下,形成大量細(xì)小纖維脫離原復(fù)合材料的現(xiàn)象。

圖1 纖維A/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料斷面SEM

2.2 PBO纖維/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料的性能

纖維A/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度為21.2MPa,纖維經(jīng)改性后所制備的單向復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度有很大的提高,可達(dá)34.5MPa。

圖2為PBO纖維/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料表面親水性。改性前PBO纖維所制備的復(fù)合材料與水的接觸角大于90°,達(dá)到102°,經(jīng)改性后其親水性明顯增強(qiáng),與水的接觸角約為75°。纖維復(fù)合材料表面的親水性主要與纖維和樹(shù)脂的性質(zhì)有關(guān),各樣品的纖維和樹(shù)脂的種類(lèi)以及含量均相同,其親水性的差異由纖維的表面性能所決定。復(fù)合材料的表面親水性與組成該復(fù)合材料的纖維的潤(rùn)濕性一致。由此可判斷出纖維B的潤(rùn)濕性能更好。

圖2 PBO纖維/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料表面親水性

2.3 PBO纖維/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料的性能對(duì)斷面質(zhì)量的影響

前面已探討了纖維A/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料和纖維B/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度和表面親水性的差異,本節(jié)進(jìn)一步探討復(fù)合材料的性能對(duì)斷面質(zhì)量的影響。

(1)復(fù)合材料的性能對(duì)垂直于纖維方向切割斷面的影響

圖3是垂直于纖維方向切割后斷面的微觀形貌,圖3a、3c、3e是纖維A/酚醛樹(shù)脂切割后斷面不同放大倍數(shù)的微觀形貌。圖3b、3d、3f是纖維 B/酚醛樹(shù)脂切割后斷面不同放大倍數(shù)的微觀形貌。從圖中可看出,經(jīng)水切割后截面相對(duì)較平整,放大500倍,兩者的差異很小。將倍數(shù)放大到2000和5000倍后,才可明顯地看出其差異。纖維表面的潤(rùn)濕性越差,其斷面質(zhì)量越差,纖維與樹(shù)脂間的浸潤(rùn)性差導(dǎo)致其層間剪切強(qiáng)度差,從而影響產(chǎn)品最終的斷面質(zhì)量。

(2)復(fù)合材料的性能對(duì)平行于纖維方向切割斷面的影響

圖4是平行于纖維方向切割后經(jīng)層間剪切測(cè)試試驗(yàn)后斷面的微觀形貌,圖4a、4c是纖維A/酚醛樹(shù)脂的斷面不同放大倍數(shù)的微觀形貌。圖4b、4d是纖維B/酚醛樹(shù)脂的斷面不同放大倍數(shù)的微觀形貌。層間剪切樣品的厚度是2mm,放大25倍后,厚度方向的切割效果在觀測(cè)范圍之內(nèi),從整體上來(lái)看纖維B/酚醛樹(shù)脂的截面質(zhì)量較好,毛刺相對(duì)較少。進(jìn)一步將其放大到500倍,可發(fā)現(xiàn)從微觀上也可看出,其斷面質(zhì)量的差異明顯,經(jīng)改性后,纖維B/酚醛樹(shù)脂的層間剪切強(qiáng)度高,纖維的浸潤(rùn)性好,其斷面質(zhì)量好。

3 結(jié)論

利用磨料水射流對(duì)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料時(shí),當(dāng)沿著垂直于纖維的方向進(jìn)行切割其斷面質(zhì)量較好。復(fù)合材料中的樹(shù)脂基體和纖維之間的相容性好,則斷面的質(zhì)量好。磨料水射流在纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料中的應(yīng)用以及如何提高斷面的質(zhì)量還有待進(jìn)一步的研究。

[1] 劉丹丹.PBO纖維的低溫等離子體表面改性及其先進(jìn)復(fù)合材料的制備[D].廣州:華南理工大學(xué),2007.

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