形状记忆环氧树脂复合材料性能表征及其损伤研究

论文摘要

形状记忆环氧树脂复合材料是空间结构技术领域关注的研究课题。本文通过对环氧树脂体系的设计,得到了具有温感型形状记忆特性的可二次固化型环氧树脂体系,并以此为基体通过Kevlar纤维和碳纤维对其增强,制备形状记忆环氧树脂复合材料。研究了形状记忆环氧树脂基体及其复合材料的形状记忆特性、力学性能和损伤效应。制备了形状记忆环氧树脂体系(EM)、二次固化型体系(EMB)。对两体系进行红外光谱、差热分析、动态力学分析研究,结果表明:树脂体系未达到理论固化度;随固化度增加,EM体系玻璃化转变温度(Tg)升高;二次固化后树脂体系Tg平均提高35℃;二次固化前,二次固化剂在EMB体系中较稳定;EM70体系能在较低的温度下达到高弹性区,形状记忆性能较优。测试EM、EMB体系的形状固定率、形状回复率、形状回复时间及拉伸力学性能。结果表明:EM、EMB体系形状固定率均在98%以上;形状回复率均在95%以上,复合形状记忆材料的要求;形状回复时间随固化度增强而增加;二次固化剂对EM体系形状记忆性能影响不大;EM体系拉伸力学强度随固化度增加而增加;二次固化后力学强度提高约1倍;树脂体系均为脆性断裂。制备了以EM70树脂体系为基体、Kevlar纤维和碳纤维增强环氧树脂复合材料,表征了不同纤维种类、纤维含量的复合材料形状固定率、形状回复率及形状回复时间。结果表明:相同纤维含量Kevlar增强复合材料形状固定率大于碳纤维复合材料;随纤维含量增加,两类复合材料的形状固定率和形状回复率下降,形状回复时间减少。70K20体系形状记忆效应最优。拉伸试验和三点弯曲测试表明:随纤维含量的增加,复合材料的拉伸强度及弯曲强度均升高。复合材料拉伸性能主要由纤维控制,弯曲性能主要由树脂控制。损伤试验表明:70K20复合材料在热循环反复折叠后,形状固定率和形状回复率降低,形变回复时间增加;拉伸强度和弯曲强度呈总体下降趋势。通过粘弹力学模型模拟了EM70的形状回复率,结果表明:该模型能较好反应树脂体系形状回复率变化趋势,但与试验值有差别。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 形状记忆复合材料研究现状
• 1.2.1 形状记忆聚合物与模型
• 1.2.2 形状记忆环氧树脂
• 1.2.3 形状记忆环氧树脂复合材料
• 1.3 形状记忆复合材料在空间展开结构中应用现状
• 1.3.1 空间结构形状记忆复合材料的应用
• 1.3.2 存在的问题
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 材料及试验方法
• 2.1 试验药品和仪器
• 2.1.1 主要试验用药品
• 2.1.2 主要试验用仪器
• 2.2 形状记忆环氧树脂体系制备
• 2.2.1 配方设计
• 2.2.2 配制及固化过程
• 2.3 形状记忆环氧树脂复合材料制备
• 2.4 试验方法
• 2.4.1 红外光谱分析（FTIR）
• 2.4.2 差示扫描量热法分析（DSC）
• 2.4.3 动态力学性能分析（DMA）
• 2.4.4 形状记忆性能表征（SMPA）
• 2.4.5 力学性能分析
• 2.4.6 热循环试验
• 2.4.7 扫描电镜分析（SEM）
• 第3章 形状记忆环氧树脂性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 形状记忆环氧树脂（研究）分析
• 3.2.1 形状记忆环氧树脂的结构
• 3.2.2 环氧树脂体系的FTIR分析
• 3.2.3 环氧树脂体系的DSC分析
• 3.2.4 环氧树脂体系的差热分析（DTA）
• 3.2.5 环氧树脂体系的DMA分析
• 3.3 环氧树脂的形状记忆性能研究
• 3.3.1 形状固定率
• 3.3.2 形状回复率
• 3.3.3 形状回复速率
• 3.4 环氧树脂的拉伸性能研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 形状记忆环氧树脂复合材料性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 复合材料的形状记忆性能研究
• 4.2.1 形状固定率
• 4.2.2 形状回复率
• 4.2.3 形状回复速率
• 4.2.4 折叠次数对形状记忆性能影响
• 4.2.5 Tg以下回复情况
• 4.3 形状记忆复合材料的力学性能研究
• 4.3.1 拉伸性能研究
• 4.3.2 弯曲性能研究
• 4.4 复合材料的热循环效应
• 4.4.1 形状记忆特性
• 4.4.2 拉伸力学性能
• 4.4.3 弯曲力学性能
• 4.5 本章小结
• 第5章 环氧树脂形状记忆模型
• 5.1 前言
• 5.2 形状记忆热力学模型
• 5.3 形状记忆粘弹力学模型
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢