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无纺布增韧对玻纤/乙烯基酯复合材料开孔力学性能的影响与机制探究
一、绪论
1.1研究背景与意义
在现代材料科学领域,纤维增强复合材料凭借其优异的性能,如高比强度、高比模量、良好的耐腐蚀性和设计灵活性等,在航空航天、汽车制造、船舶工业、建筑工程等众多领域得到了广泛应用。玻纤/乙烯基酯复合材料作为其中的重要一员,由玻璃纤维与乙烯基酯树脂复合而成,结合了玻璃纤维的高强度和乙烯基酯树脂的良好耐化学腐蚀性、固化特性等优点,在上述应用领域中发挥着关键作用。例如在航空航天领域,用于制造飞机的机翼、机身结构部件等,可有效减轻飞机重量,提高燃油效率和飞行性能;在船舶工业中,用于制造船体、甲板等部件,能增强船体的强度和耐海水腐蚀性能。
然而,在实际工程应用中,玻纤/乙烯基酯复合材料结构常常需要进行开孔操作,以满足连接、布线、安装设备等功能需求。开孔会破坏复合材料的连续性和完整性,导致应力集中现象的出现。应力集中使得开孔周围的局部应力远高于平均应力水平,进而引发材料的损伤和失效,严重降低了复合材料的力学性能,如拉伸强度、压缩强度、弯曲强度等。这不仅影响了结构的正常使用性能,还对结构的安全性和可靠性构成了潜在威胁,限制了玻纤/乙烯基酯复合材料在一些对结构完整性和力学性能要求苛刻的场合的应用。
为了克服开孔对玻纤/乙烯基酯复合材料力学性能的不利影响,提高其开孔性能,无纺布增韧技术应运而生。无纺布具有独特的结构和性能特点,如高孔隙率、良好的柔韧性和可加工性等。将无纺布引入玻纤/乙烯基酯复合材料中进行增韧,可以有效地改善复合材料的损伤容限和韧性。一方面,无纺布能够分散应力,降低开孔周围的应力集中程度,减缓裂纹的萌生和扩展;另一方面,无纺布与树脂基体之间的相互作用可以增强界面结合力,提高复合材料的整体性能。通过无纺布增韧,有望显著提升玻纤/乙烯基酯复合材料的开孔力学性能,使其在开孔状态下仍能保持较好的结构完整性和力学性能,从而拓宽其应用范围,满足更多复杂工程环境下的使用需求。
本研究聚焦于无纺布增韧玻纤/乙烯基酯复合材料开孔力学性能,具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看,深入探究无纺布增韧对复合材料开孔力学性能的影响机制,有助于丰富和完善纤维增强复合材料的力学理论体系,为复合材料的设计和优化提供更坚实的理论基础。从实际应用角度出发,提高玻纤/乙烯基酯复合材料的开孔性能,能够使其更好地适应各种工程结构的设计和制造要求,降低结构设计的复杂性和成本,提高工程结构的安全性和可靠性,推动玻纤/乙烯基酯复合材料在更多领域的广泛应用和发展。
1.2玻纤/乙烯基酯复合材料概述
玻纤/乙烯基酯复合材料主要由玻璃纤维和乙烯基酯树脂组成。玻璃纤维作为增强相,是一种性能优异的无机非金属材料,它是通过将熔融玻璃以极细的丝状形式拉制而成。玻璃纤维具有高强度、高模量、低密度、化学稳定性好等优点,其拉伸强度通常在1000-3000MPa之间,弹性模量可达70-80GPa,而密度仅为2.5-2.7g/cm3。常见的玻璃纤维类型有E玻璃纤维、S玻璃纤维等,E玻璃纤维具有良好的电绝缘性和性价比,是应用最为广泛的玻璃纤维类型;S玻璃纤维则具有更高的强度和模量,常用于对性能要求较高的航空航天等领域。
乙烯基酯树脂作为基体相,是由环氧树脂和不饱和一元羧酸通过开环加成反应制得的一种热固性树脂。它兼具了环氧树脂的优良力学性能、粘结性能和不饱和聚酯树脂的快速固化特性。乙烯基酯树脂具有良好的耐化学腐蚀性,能在多种酸碱环境下保持稳定;固化收缩率低,可有效减少复合材料内部的残余应力;并且具有较好的工艺性,易于与玻璃纤维浸润复合。其固化过程通常需要引发剂和促进剂的参与,在一定温度和时间条件下发生交联反应,形成三维网状结构,从而将玻璃纤维牢固地粘结在一起,使复合材料具备良好的整体性和力学性能。
玻纤/乙烯基酯复合材料的常用制备工艺包括手糊成型工艺、真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺和拉挤成型工艺等。手糊成型工艺是一种较为传统且简单的成型方法,它是在模具表面手工铺放玻璃纤维织物,然后涂刷或浇铸乙烯基酯树脂,通过刮板等工具使其均匀浸润纤维,最后在常温或加热条件下固化成型。该工艺设备简单、投资少、操作灵活,适合小批量、大型复杂形状制品的生产,但生产效率较低,产品质量受人为因素影响较大。VARTM工艺则是将玻璃纤维预成型体放置在模具中,通过真空袋密封,然后利用真空吸力将乙烯基酯树脂吸入模具,浸润纤维并固化成型。这种工艺能够有效提高纤维体积含量,减少气泡和缺陷,产品质量稳定,适用于中等规模、高性能制品的生产。拉挤成型工艺是将连续的玻璃纤维束或织物通过浸胶槽浸渍乙烯基酯树脂,然后在牵引力的作用下通过成型模具,在模具中加
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