摘　要：采用真空灌注工藝(VARI)制備了高性能環氧樹脂／碳纖維復合材料，并進一步研究了該樹脂基復合材料的基本力學性能，濕熱環境性能及沖擊損傷性能。結果表明：該復合材料制造成本低，力學性能良好、耐濕熱環境性能優異，達到韌性級復合材料的水平。
關鍵詞：環氧樹脂；復合材料；力學性能；吸濕；沖擊損傷

0　引　言

　　先進樹脂基復合材料面臨一個突出的問題是成本過高，這在一定程度上限制了樹脂基復合材料應用的進一步擴大，這一問題被公認是該領域亟待解決的要問題。
　　要降低先進樹脂基復合材料的成本，必須要有一種低成本的復合材料成型技術。VARI工藝(真空灌注工藝)是近年來飛速發展的一種低成本高效率的復合材料成型技術，該工藝具有許多優點：增強材料可設計性強，結合纖維編織及預成型可制造復雜形狀的制件；模具結構簡單，制造成本低；復合材料結構件易于實現局部增強；無需冷凍運輸和儲存等。
　　VARI工藝需要有適合其工藝特點的樹脂體系，筆者曾以縮水甘油醚型環氧和酸酐為基礎設計了一種中溫固化環氧體系，經測試表明：該樹脂體系具有良好的工藝性能、力學性能和較低的吸濕率，適合用作液態成型工藝。
　　本文采用該環氧樹脂VARI工藝制備了高性能碳纖維復合材料，并進一步研究了該樹脂基復合材料的基本力學性能，濕熱環境性能及沖擊損傷性能，為該樹脂體系復合材料的應用打下基礎。

1　實驗部分

1.1　原料和儀器
　　環氧樹脂體系，自制，詳見文獻。碳纖維織物U3160，威海拓展纖維有限公司；材料試驗機：INSTRON1195；動態熱機械分析儀：TA公司DMA Q800。
1.2　復合材料力學性能試樣制備與測試
　　本文采用VARI工藝(真空灌注工藝)制備了高性能碳纖維復合材料，復合材料的纖維體積分數在60％左右。復合材料成型固化工藝為：110℃／1 h+140℃／2 h。復合材料力學性能試樣的制備及測試標準如表1所示。

1.3　濕熱性能測試
　　復合材料固化成型之后，對復合材料的耐熱性能及耐濕熱性能進行了測試，其中，DMA試樣大小為60 mm×10 mm×2 mm，測試時，實驗設備的升溫速率為5℃／min。

2　結果與討論

2.1　環氧樹脂基體性能
　　通過實驗研究表明，該環氧樹脂基體具有較優異的綜合性能。一方面，該樹脂在40～50℃下即可獲得較低的粘度，且工藝期很長(>8 h)，可以用來制作大尺寸復合材料結構件，具有良好的工藝性能；另一方面，該樹脂具有優異的力學性能，不僅韌性好，而且強度也較高。表2給出了環氧樹脂基體的物理及力學性能。

2.2　復合材料基本力學性能
　　該環氧樹脂基復合材料的制備采用VARI工藝，纖維體積分數為60％。表3給出了環氧樹脂／U3160復合材料的基本力學性能。

　　從表3可以看出，該樹脂復合材料。拉伸強度可達1745 MPa，拉伸模量為122 GPa，且數據穩定性較好，與熱壓罐成型復合材料力學性能相近；且復合材料的壓縮強度與彎曲強度也達到了熱壓罐成型復合材料的水平，只是在復合材料的層間性能上，該樹脂基復合材料的層間剪切強度為79.8 MPa，較熱壓罐成型復合材料低一些。這是由VARI成型工藝特點所決定的，VARI工藝所采用的樹脂體系要求具有很低的粘度，因此樹脂的韌性較預浸料樹脂的韌性差，因而造成復合材料的層間性能要弱一些。從力學性能測試結果來看，除了層間剪切性能，采用VARI工藝成型的復合材料可以達到與熱壓罐成型復合材料力學性能相接近的水平，而VARI工藝成型復合材料的成本要低得多，對于價格高昂的高性能航空復合材料來講，VARI成型工藝具有很大的成本優勢。
2.3　復合材料濕熱性能
　　實驗所采用環氧樹脂基體具有良好的耐濕熱環境性能，該樹脂的飽和吸濕率為0.65％。實驗進一步測試了環氧樹脂／U3160復合材料的濕熱環境性能，將復合材料試樣浸泡在90℃水中，經60 h后，復合材料的吸濕率為0.40％，經85 h，復合材料的吸濕基本達到飽和，吸濕率為0.45％，表明該環氧樹脂基復合材料具有很低的吸濕率。實驗還測試了復合材料吸濕前后的DMA曲線，如圖1和圖2所示。

　　從圖1和圖2可以看出，復合材料在吸濕前T_g(玻璃化轉變溫度)為145.1℃，儲能模量起始下降溫度T_o(熱變形溫度)為129.9℃，經飽和吸濕后，T_g降至134.7℃，而儲能模量起始下降溫度T_o降至120.4℃，從吸濕前后的數據對比中可以看出，吸濕后，復合材料的耐熱性下降10℃左右，而一般的環氧樹脂基復合材料，經飽和吸濕后耐熱性會下降20～50℃左右。對于結構復合材料而言，其應用常常受到使用環境的制約，復合材料具有良好的耐濕熱環境性能，對于復合材料性能的穩定性具有重要的意義。綜合復合材料的吸濕率和吸濕前后的耐熱性能數據，可以看出，該環氧樹脂基復合材料具有較低的吸濕率，經吸濕后耐熱性能降低幅度較小，表明該環氧樹脂基復合材料具有良好的耐濕熱環境性能。
2.4　復合材料抗沖擊性能
　　實驗采用VARI工藝按照ASTM D7136標準制備了3288／U3160復合材料CAI(沖擊后壓縮)試樣，并分別采用4.45 J／mm和6.67 J／mm的沖擊能量進行沖擊實驗，經沖擊后，復合材料的內部損傷如圖3所示，沖擊后試樣的損傷情況及強度如表4所示。

　　從C掃圖中可以看出，隨著沖擊能量從4.45 J／mm增加到6.67 J／mm，復合材料試樣的凹坑深度、損傷面積及背面裂紋長度都有明顯的提高，復合材料壓縮強度則有一定程度的下降。對航空級復合材料，一般用沖擊后剩余壓縮強度(CAI)來度量復合材料體系的韌性，在NASA標準文件中，通過CAI對復合材料進行了分類或劃代：脆性復合材料的CAI一般低于138 MPa；弱韌化改性樹脂基復合材料的CAI值大約為138～192 MPa；韌性樹脂基復合材料的CAI值大約為193～255 MPa；高韌性樹脂基復合材料的CAI值一般應高于256 MPa。根據這個標準，可以看出，該環氧樹脂基碳纖維復合材料體系屬于韌性級別，對于液態成型工藝來講，已經具有非常好的韌性；而通過采用復合材料層間增韌結構設計，能夠進一步提高該樹脂基復合材料的韌性，有可能使其達到高韌性級別。

3　結　論

　　本文采用VARI工藝制備了高性能環氧樹脂基碳纖維復合材料，通過對該復合材料的力學性能、濕熱性能及沖擊損傷性能的一系列研究，結論如下：
　　1)采用VARI工藝成型的復合材料可以達到與熱壓罐成型復合材料力學性能相接近的水平，而VARI工藝成型復合材料的成本要低得多。
　　2)該環氧樹脂基復合材料具有較低的吸濕率，經吸濕后耐熱性能降低幅度較小，具有良好的耐濕熱環境性能。
　　3)該環氧樹脂基碳纖維復合材料體系屬于韌性級別，而通過采用復合材料層間增韌結構設計，有可能使其達到高韌性級別。
　　綜上所述，筆者研制了一種中溫固化高性能環氧樹脂體系，可采用VARI工藝完成復合材料的制造，該復合材料具有制造成本較低、力學性能良好、耐濕熱環境性能優異的特點，且復合材料達到韌性級復合材料的水平，為VARI工藝成型復合材料在航空領域的應用打下基礎。