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樹脂傳遞模壓(RTM)工藝是目前先進(jìn)復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的發(fā)展方向之一，廣泛應(yīng)用于航空航天以及民用建筑等各個領(lǐng)域。在RTM工藝中為保證樹脂流動浸潤的順利進(jìn)行，必須采用低薪度的樹脂體系。不飽和聚醋樹脂往往不能滿足先進(jìn)復(fù)合材料的要求，目前RTM工藝用的高性能環(huán)氧樹脂體系已有較多的研究與應(yīng)用，不同的樹脂體系可以實現(xiàn)耐高溫性能或者中溫固化等工藝特點。本文研究了一種低黏度、中溫固化的環(huán)氧樹脂體系，適合RTM成型工藝，其碳纖維復(fù)合材料具有良好的耐高溫性能。
2 實驗
2.1 原料
多元縮水甘油胺型環(huán)氧樹脂，環(huán)氧值0.80~0.85，常熟佳發(fā)化學(xué)有限責(zé)任公司生產(chǎn)；固化劑：甲基四氫苯二酸醉(MeTHPA )，天津合成材料研究所；促進(jìn)劑：2-乙基-4-甲基咪哇(2，4 -EMI)，天津試劑公司；稀釋劑：自制；T300(12K)碳纖維，日本東麗公司生產(chǎn)。
2.2 方法
2.2.1 澆注體制備
將環(huán)氧樹脂與固化劑、促進(jìn)劑和稀釋劑按比例混合均勻，真空脫泡后澆注到標(biāo)準(zhǔn)試樣模具中，在烘箱中按80℃/1h + 120℃/2 h + 150℃/2 h固化。
2.2.2 碳纖維復(fù)合材料的制備
將16束T300碳纖維繞在絲架上，涂浸樹脂后置于模腔截面為6 mm x 2 mm的模具中，擠壓出去多余樹脂，保證碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為60%。在烘箱
中按樹脂澆注體的固化工藝固化，制備碳纖維單向復(fù)合材料。
2.3 測試方法及儀器
樹脂黏度用NDJ一8S型旋轉(zhuǎn)勃度計測試；在INSTRON一1121萬能材料試驗機(jī)上按照GB2568-1995和GB2570-1995測試澆注體的拉伸和彎曲性能；按照GB3356-1995和JC/T773-1996測試復(fù)合材料的彎曲和剪切性能；在拉力機(jī)上測試碳纖維單向復(fù)合材料的拉伸性能；采用PYRIS一1差示掃描分析儀(DSC)測試環(huán)氧樹脂體系固化反應(yīng)特性；采用V型動態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMTA，Rheometric Scientific公司)測試材料的Tg及熱機(jī)械性能，頻率1 Hz，升溫速率10℃/min。
3 結(jié)果與討論
3.1 樹脂體系的貓度特性
圖1是樹脂體系加人稀釋劑前后的黏溫曲線。
從圖1可見，20℃時未加稀釋劑的初始黏度為600 mPa.s,，加人10份稀釋劑后赫度為450 mPa.s。隨著溫度的升高，黏度逐漸降低，60℃時黏度達(dá)到50m Pa.s以下。在較低溫度下，稀釋劑對黏度降低有較大貢獻(xiàn)，隨溫度的升高，稀釋劑的作用逐漸減弱。圖2是樹脂體系在室溫和50℃下黏度隨時間的變化。在室溫下樹脂體系的黏度變化很小，經(jīng)過35h后從300mPa.s，升高到450mPa.s，適用期較長；在50℃下，10h后樹脂黏度升高很快，但15h內(nèi)黏度也小于500mPa.s,，可以滿足RTM工藝要求。
3.2 樹脂體系的固化反應(yīng)動力學(xué)
通過對樹脂的固化反應(yīng)動力學(xué)的研究可以了解樹脂固化反應(yīng)特性。在DSC上以不同的升溫速率測試環(huán)氧樹脂體系的反應(yīng)放熱曲線，其固化動力學(xué)參數(shù)如表1所示。
根據(jù)Kiss inger方程：
和Crane方程：
[-page-]式中，R為摩爾氣體常數(shù)。處理表1數(shù)據(jù)，得到體系的固化反應(yīng)活化能△E= 75.5 kJ/mol，反應(yīng)級數(shù)n=0.93。由△E可以看出該體系具有高溫快速固化的特征；而n=0.93 ，這可能與反應(yīng)后期體系黏度增大，形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，從而減弱其各反應(yīng)官能基團(tuán)的活性有關(guān)。
用T- B外推法求出了樹脂體系發(fā)生凝膠的溫度為115.6℃，固化溫度為130.4℃，固化后處理溫度為195.5℃。可以看出，樹脂體系的凝膠溫度與固化溫度相差較小，說明樹脂反應(yīng)活性高，固化反應(yīng)放熱集中，體系適合RTM等快速成型工藝。
3.3 樹脂澆注體及復(fù)合材料的力學(xué)性能
制備了標(biāo)準(zhǔn)的澆注體拉伸和彎曲樣條以及單向復(fù)合材料樣條，測試其力學(xué)性能，結(jié)果見表2。澆注體的拉伸及彎曲強(qiáng)度與雙酚A環(huán)氧樹脂相近，而斷裂延伸率提高，樹脂固化物的韌性較好。復(fù)合材料的平均拉伸強(qiáng)度為2.02 G Pa，層間剪切強(qiáng)度為93.5MPa。
3.4 樹脂澆注體及復(fù)合材料動態(tài)熱機(jī)械性能
DMTA反映了在強(qiáng)迫振動下材料的儲能模量E‘和損耗模量E“隨溫度的變化情況，可以用于測試材料的Tg以及高溫力學(xué)性能。澆注體的DMTA測試(圖3)表明，其損耗因子tans的峰頂溫度即Tg為21590，熱變形溫度HDT為163 9C。說明該樹脂體系具有優(yōu)良的耐熱性，在中溫固化的條件下即可達(dá)到較高的耐熱水平，該樹脂體系反應(yīng)活性高，適于快速成型的耐高溫復(fù)合材料。
圖4是單向碳纖維復(fù)合材料的DMTA曲線，由tanS曲線表明復(fù)合材料的Tg為220℃，略高于澆注體的Tg。損耗因子tans較低，僅為0.14，說明纖維
與樹脂的界面性能良好，在動態(tài)受力情況下能量耗散較少。由彈性模量E的兩條分解曲線E’和E"看出，在160℃以前，復(fù)合材料的E‘幾乎沒有變化，E"變化很小，材料可以在160℃下長期使用；當(dāng)溫度超過Tg時，復(fù)合材料的E‘下降很小，說明在T8以后復(fù)合材料仍能保持較高強(qiáng)度，具有良好的耐熱性。
4 結(jié)論
所研究的環(huán)氧樹脂體系室溫下的黏度<300mPa.s,50℃下的適用期>10h，可以滿足RTM的工藝要求;樹脂體系△E為75.5 KJ/mol,n=0.93 ,凝膠溫度與固化溫度相差較小，樹脂反應(yīng)活性高，適合于中溫固化成型;樹脂澆注體力學(xué)性能和耐熱性能優(yōu)良，Tg達(dá)到215℃，單向碳纖維復(fù)合材料的Tg達(dá)到220℃，該樹脂體系是一種較好的快速成型用耐高溫樹脂基體。