非金属矿物填料FSMF填充树脂复合材料的增强增韧研究
|
摘要
强度和韧性是复合材料的两个主要力学性能，改善树脂基复合材料的强度和韧性一直是材料科学研究的重要课题。
本文对非金属矿物填料填充树脂复合材料增强增韧的国内外研究现状进行了较全面的评述；在理论和实验的基础上，研究了FSMF填充树脂复合材料增强增韧机理；进行了FSMF填充树脂浇铸体的有关力学性能测试，获得了FSMF填充树脂浇铸体的有关力学性能与FSMF含量的关系；利用解析法和CMM法，估算了FSMF粉体的弹性模量；最后探讨了FSMF在玻璃钢夹砂管道中的应用。
取得了如下成果：
(1)研究了FSMF填充树脂复合材料的增强增韧机理。在FSMF填充树脂复合材料中，载荷是由FSMF颗粒和树脂基体共同承担的，FSMF颗粒以机械约束方式限制树脂基体变形，从而产生强化；FSMF颗粒可以引发银纹和剪切带等损伤消耗应变能，并通过钝化和钉扎机制阻碍裂纹的扩展，从而产生增韧。同时得出FSMF颗粒与树脂基体界面上的粘结性能、FSMF颗粒的大小和FSMF颗粒的形状等是影响FSMF填充树脂复合材料增强增韧的重要因素。要获得好的增强增韧效果，填料颗粒与树脂基体界面上应有好的粘结性能；颗粒粒径应小且填料粉体中粒状、片状和纤维状的组分应适当。
(2)进行了FSMF填充树脂浇铸体的拉伸、弯曲和冲击韧性实验。结果表明：FSMF显著提高树脂浇铸体的弯曲模量，但降低拉伸强度；在合适的填料含量(本实验中为≤30％)下，FSMF可提高树脂浇铸体的拉抻模量和弯曲强度；在合适的填料含量(本实验中为20％～30％)下，FSMF可起到增韧效果，改善树脂浇铸体的断裂韧性。所以在适当的应用场合，选择合适的掺加量，填料FSMF可起到较好的增强增韧作用。
武汉理工大学硕士学位论文
(3)估算了FsMF粉体的弹性模量。利用解析法和CMM法分别估
算了FSMF粉体的弹性模量，为评价和应用该矿物复合填料提供了有价值
的参考依据。
(4)探讨了FSMF在玻璃钢夹砂管道中的应用.提出了应用设想并
进行了实验研究，结果表明:在树脂中加入30%的FSMF，可提高夹砂层
的弯曲强度、弯曲模量、刚度和韧性;在树脂中加入25吠尸30%的FSMF，
可提高缠绕层的轴向拉伸强度、刚度、硬度和耐磨性，降低成本。所以在
玻璃钢夹砂管道的缠绕层和夹砂层中加入适量的矿物复合填料FSMF，可
以改善玻璃钢夹砂管的力学性能，同时降低成本。
Strength and toughness are two main mechanics properties to the composite materials. Improve the strength and toughness of the resin matrix composite materials is always the important subject of material sciences research.
A full-scale review of the nonmetal mineral filler to improve the strength and toughness of the resin matrix materials in the domestic and overseas is presented. Based on the theory and experiment, the mechanism of the FSMF filler to build up the strength and toughness in the resin matrix composite materials is studied; The relation of the mechanical property of the resin cast and the content of the FSMF is obtained; The elasticity modulus of the FSMF powder is estimated by analysis method and CMM method; In the end, FSMF used in RPMP is discussed.
Follow results are obtained.
(1) The mechanism of the FSMF filler to build up the strength and toughness in the resin matrix composite materials is studied.
In the resin matrix composite materials filled with FSMF, the load is undertaken by the grain of FSMF and the resin matrix. The grain of FSMF restricts the deformation of the resin matrix, so the strength is improved. Furthermore, the grain of FSMF can consume the energy of strain and controls the crack expand, so build up toughness.
The factors which effect the FSMF filler to build up strength and toughness in the resin matrix composite materials include the size and the shape of FSMF grain the glue performance on the Interface of resin matrix and the grain of FSMF. In order to obtain well effect on the improve the strength and toughness, the interface on the grain and the
resin matrix should have a good glue performance; the diameter of the grain should be small and the shape component of grain patch and fiber should be suitability.
(2)The tensile, bend and impact ductility experiment of the resin cast with FSMF filler are employed.
The results show that FSMF can improve the bend modulus of the resin cast clearly, but reduce the tensile strength. In the suitable content of filler (not more than 30% in this experiment), FSMF can improve the tensile modulus and bend strength. In the suitable content of filler (20%~30% in this experiment), FSMF can improve the toughness of the resin cast. So in the suitable situation and use a suitable content, FSMF filler have a good effect to improve the strength and toughness.
(3)The elasticity modulus of the FSMF powder is estimated. The analysis method and CMM method are used to estimate the elasticity modulus of the FSMF powder. That offers a valuable reference to evaluate and apply the mineral composite filler.
(4) The FSMF used in RPMP is discussed. The results of the experiment are as follows: The bend strength, bend modulus, stiffness and toughness of the mortar layer will be improved when add 30% FSMF to resin. The axis tensile strength, stiffness, hardness and weariessness of winding layer will be improved when add 25%~30% FSMF to resin. So added the FSMF to mortar layer and winding layer of the RPMP will improve the mechanical property and lower the cost.
本文对非金属矿物填料填充树脂复合材料增强增韧的国内外研究现状进行了较全面的评述；在理论和实验的基础上，研究了FSMF填充树脂复合材料增强增韧机理；进行了FSMF填充树脂浇铸体的有关力学性能测试，获得了FSMF填充树脂浇铸体的有关力学性能与FSMF含量的关系；利用解析法和CMM法，估算了FSMF粉体的弹性模量；最后探讨了FSMF在玻璃钢夹砂管道中的应用。
取得了如下成果：
(1)研究了FSMF填充树脂复合材料的增强增韧机理。在FSMF填充树脂复合材料中，载荷是由FSMF颗粒和树脂基体共同承担的，FSMF颗粒以机械约束方式限制树脂基体变形，从而产生强化；FSMF颗粒可以引发银纹和剪切带等损伤消耗应变能，并通过钝化和钉扎机制阻碍裂纹的扩展，从而产生增韧。同时得出FSMF颗粒与树脂基体界面上的粘结性能、FSMF颗粒的大小和FSMF颗粒的形状等是影响FSMF填充树脂复合材料增强增韧的重要因素。要获得好的增强增韧效果，填料颗粒与树脂基体界面上应有好的粘结性能；颗粒粒径应小且填料粉体中粒状、片状和纤维状的组分应适当。
(2)进行了FSMF填充树脂浇铸体的拉伸、弯曲和冲击韧性实验。结果表明：FSMF显著提高树脂浇铸体的弯曲模量，但降低拉伸强度；在合适的填料含量(本实验中为≤30％)下，FSMF可提高树脂浇铸体的拉抻模量和弯曲强度；在合适的填料含量(本实验中为20％～30％)下，FSMF可起到增韧效果，改善树脂浇铸体的断裂韧性。所以在适当的应用场合，选择合适的掺加量，填料FSMF可起到较好的增强增韧作用。
武汉理工大学硕士学位论文
(3)估算了FsMF粉体的弹性模量。利用解析法和CMM法分别估
算了FSMF粉体的弹性模量，为评价和应用该矿物复合填料提供了有价值
的参考依据。
(4)探讨了FSMF在玻璃钢夹砂管道中的应用.提出了应用设想并
进行了实验研究，结果表明:在树脂中加入30%的FSMF，可提高夹砂层
的弯曲强度、弯曲模量、刚度和韧性;在树脂中加入25吠尸30%的FSMF，
可提高缠绕层的轴向拉伸强度、刚度、硬度和耐磨性，降低成本。所以在
玻璃钢夹砂管道的缠绕层和夹砂层中加入适量的矿物复合填料FSMF，可
以改善玻璃钢夹砂管的力学性能，同时降低成本。
Strength and toughness are two main mechanics properties to the composite materials. Improve the strength and toughness of the resin matrix composite materials is always the important subject of material sciences research.
A full-scale review of the nonmetal mineral filler to improve the strength and toughness of the resin matrix materials in the domestic and overseas is presented. Based on the theory and experiment, the mechanism of the FSMF filler to build up the strength and toughness in the resin matrix composite materials is studied; The relation of the mechanical property of the resin cast and the content of the FSMF is obtained; The elasticity modulus of the FSMF powder is estimated by analysis method and CMM method; In the end, FSMF used in RPMP is discussed.
Follow results are obtained.
(1) The mechanism of the FSMF filler to build up the strength and toughness in the resin matrix composite materials is studied.
In the resin matrix composite materials filled with FSMF, the load is undertaken by the grain of FSMF and the resin matrix. The grain of FSMF restricts the deformation of the resin matrix, so the strength is improved. Furthermore, the grain of FSMF can consume the energy of strain and controls the crack expand, so build up toughness.
The factors which effect the FSMF filler to build up strength and toughness in the resin matrix composite materials include the size and the shape of FSMF grain the glue performance on the Interface of resin matrix and the grain of FSMF. In order to obtain well effect on the improve the strength and toughness, the interface on the grain and the
resin matrix should have a good glue performance; the diameter of the grain should be small and the shape component of grain patch and fiber should be suitability.
(2)The tensile, bend and impact ductility experiment of the resin cast with FSMF filler are employed.
The results show that FSMF can improve the bend modulus of the resin cast clearly, but reduce the tensile strength. In the suitable content of filler (not more than 30% in this experiment), FSMF can improve the tensile modulus and bend strength. In the suitable content of filler (20%~30% in this experiment), FSMF can improve the toughness of the resin cast. So in the suitable situation and use a suitable content, FSMF filler have a good effect to improve the strength and toughness.
(3)The elasticity modulus of the FSMF powder is estimated. The analysis method and CMM method are used to estimate the elasticity modulus of the FSMF powder. That offers a valuable reference to evaluate and apply the mineral composite filler.
(4) The FSMF used in RPMP is discussed. The results of the experiment are as follows: The bend strength, bend modulus, stiffness and toughness of the mortar layer will be improved when add 30% FSMF to resin. The axis tensile strength, stiffness, hardness and weariessness of winding layer will be improved when add 25%~30% FSMF to resin. So added the FSMF to mortar layer and winding layer of the RPMP will improve the mechanical property and lower the cost.
引文
1、吴培熙，沈健．特种性能树脂基复合材料．北京：化学工业出版社．2002．
2、吴美升，盖国胜等，无机非金属矿物填料的研究进展，化工矿物与加工，2003年第4期．
3、刘英俊，非金属矿物填料在我国塑料工业中的应用，中国非金属矿工业导刊，总第10期．
4、南京强胜卫化学有限公司，产品资料．
5、欧玉春，第二届全国复合材料界面工程研讨会论文集，18页(天津，1991年)，
6、林薇薇，复合材料学报，1991，8(3)：23．
7、黄元富，第三届全国高聚物表面与界面科学研讨会论文集，53页(南京，1990年)．
8、张云灿等，复合材料界面科学，哈尔滨，哈工大出版社1997，259．
9、江苏常州市江南助剂厂、产品资料．
10、嵇根定，第三届全国高聚物表面与界面科学研讨会论文集，45页(南京，1990年)．
11、黄元富等，聚合物界面科学与工程新进展(5)，北京：宇航出版社新出版．1993，31．
12、沈健等，聚合物界面科学与工程新进展(5)，北京：宇航出版社新出版，1993，148．
13、Kuraueh T, Ohta T, J Mater Sci,1984, 19:1 699
14、Pukanszky B, Todos F, Polym Eng Sci, 1995, 35(24):1 962
15、Janear J, DiBe ne detto A, Dianselmo A, Polym Eng Sci, 1993, 33:559
16、李东明，漆宗能．高分子材料科学与工程，1991，2：18．
17、Fu Q, Wang G, Liu C, Polymer, 1995, 36 (12): 2
18、Li Qiang, zheng Wenge, Zhu Xiao Guang, Choy C L, Sciences in China (Series B), 36 (1): 18
19、吕素平，漆宗能，中国科学(B辑)，24(10)：1 028
20、吕素平，朱晓光，漆宗能，高分子材料科学与工程 1996，12(5)：61
21、Fu Q, Wang G. J Appl Polym Sci, 1993, 49: 1 985
22、乔放，朱晓光，关淑敏，漆宇能，高分子材料科学与工程，1996，12(6)：61
23、Liu Z, Zhu X, Li Q, Qi Z, Wang F, Polymer, 1998, 39 (10): 1 863
24、Masao Sumita, Toshiyuki Ookuma, Keizo Miyasaka, et al, J appl Polym Sei, 1982
25、Masao Sumita, Yasutoshi Tsukuma, Keizo Miyasaka, et al, J Mater Sci, 1983 (18)
26、Masao Sumita, Hidetoshj Tsukihi, Keizo Miyasaka, et al, J appl Polym Sci, 1984 (29)
27、董税，徐伟平等，塑料工业，1997(3)
28、邓厚礼，无机盐工业，1990 (5)
29、陈波，矿物短纤维在造纸中的应用，中华纸业，第23卷第6期，2002年，
30、周青，张家学，周建安，关于矿物晶纤粉体与高分子在复合体系中的相互作用及其功能性探讨，玻璃钢通讯2002年第2期，
31、乔生儒，复合材料细观力学性能，西安：西北工业大学出版社，1997年
32、孙曼灵编，增强塑料——细观结构与力学性能，西安：西北工业大学出版社，1989
33、陶婉蓉等，高性能聚合物基复合材料，上海：上海科学技术出版社，1993
34、卢锡年，刚性颗粒填充聚合物的力学行为，见：周履等，复合材料及其结构的力学进展，第一册，广州：华南理工大学出版社，1991
35、郭成，程羽等，Sci颗粒增强铝合金基复合材料断裂与强化机理；复合材料学报，Vol，18，No，4，November，2001．
36、雷友锋，魏德明，高德平，细观力学有限元法预测复合材料宏观有效弹性模量，燃气涡轮试验与研究，Vol，16，No，3．
37、杨书勇，基于计算微观力学的金属／陶瓷梯度材料性能研究，武汉理工大学硕士学位论文2003年．
38、王兴业等，复合材料力学分析与设计，长沙：国防科技大学出版社，1999
39、秦瑞瑶，缠绕夹砂玻璃钢管的成型工艺参数分析，玻璃钢／复合材料1996年第2期
40、相玉芬，封惠敏．大力开发应用玻璃钢夹砂管道，玻璃钢／复合材料，2000年第6期．
41、黄玉东．复合材料界面科学；哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997
42、冷兴武，王荣秋．分形理论在夹砂管上的应用；玻璃钢／复合材料，2003年第2期
43、曹凤坤，于建东等．降低成本 改善性能；玻璃钢通迅，1998年第5期
44、杜善义，王彪，复合材料细观力学，北京：科学出版社，1998．
45、姜作义，张和善．纤维——树脂复合材料技术与应用，北京：中国标准出版社，1990．
46、周履，复合材料力学，广州：华南理工大学教材供应中心，2002．
47、冯嘉春，陈鸣才，无机刚性粒子增韧高分子研究进展，中国塑料，Vol 14，No，11：NoV 2000
48、王鹏飞，王俊勃等，刚性球粒在PEK——C／PF共混树脂复合材料中的增韧增强，玻璃钢／复合材料2000年第1期
49、宣兆龙，易建政等，环氧树脂增韧改性研究，玻璃钢／复合材料1999年第5期，
50、陈建康，黄筑平等，刚性微粒填充高聚物的宏观本构关系，高分子学报，NO，6：Dec，1998
51、陈平，张岩，热固性树脂的增韧方法及其增韧机理，复合材料学报，第16卷第3期
52、陈作荣，诸德超等，复合材料的等效弹性性能，复合材料学报，Vol 17，No，3：August 2000
53、齐海波，吕宝华等，颗粒增强复合材料弹性模量的统计分析方法，工程力学，增刊2001，
54、范建华，许庆余，复合材料弹性模量的等效微分计算，工程数字学报，Vol 20，No，1：Feb，2003
55、周仕刚，薜元德，沈碧霞，关于玻璃纤维增强塑料夹砂管标准中几个问题的讨论，玻璃钢／复合材料，2001年1月
2、吴美升，盖国胜等，无机非金属矿物填料的研究进展，化工矿物与加工，2003年第4期．
3、刘英俊，非金属矿物填料在我国塑料工业中的应用，中国非金属矿工业导刊，总第10期．
4、南京强胜卫化学有限公司，产品资料．
5、欧玉春，第二届全国复合材料界面工程研讨会论文集，18页(天津，1991年)，
6、林薇薇，复合材料学报，1991，8(3)：23．
7、黄元富，第三届全国高聚物表面与界面科学研讨会论文集，53页(南京，1990年)．
8、张云灿等，复合材料界面科学，哈尔滨，哈工大出版社1997，259．
9、江苏常州市江南助剂厂、产品资料．
10、嵇根定，第三届全国高聚物表面与界面科学研讨会论文集，45页(南京，1990年)．
11、黄元富等，聚合物界面科学与工程新进展(5)，北京：宇航出版社新出版．1993，31．
12、沈健等，聚合物界面科学与工程新进展(5)，北京：宇航出版社新出版，1993，148．
13、Kuraueh T, Ohta T, J Mater Sci,1984, 19:1 699
14、Pukanszky B, Todos F, Polym Eng Sci, 1995, 35(24):1 962
15、Janear J, DiBe ne detto A, Dianselmo A, Polym Eng Sci, 1993, 33:559
16、李东明，漆宗能．高分子材料科学与工程，1991，2：18．
17、Fu Q, Wang G, Liu C, Polymer, 1995, 36 (12): 2
18、Li Qiang, zheng Wenge, Zhu Xiao Guang, Choy C L, Sciences in China (Series B), 36 (1): 18
19、吕素平，漆宗能，中国科学(B辑)，24(10)：1 028
20、吕素平，朱晓光，漆宗能，高分子材料科学与工程 1996，12(5)：61
21、Fu Q, Wang G. J Appl Polym Sci, 1993, 49: 1 985
22、乔放，朱晓光，关淑敏，漆宇能，高分子材料科学与工程，1996，12(6)：61
23、Liu Z, Zhu X, Li Q, Qi Z, Wang F, Polymer, 1998, 39 (10): 1 863
24、Masao Sumita, Toshiyuki Ookuma, Keizo Miyasaka, et al, J appl Polym Sei, 1982
25、Masao Sumita, Yasutoshi Tsukuma, Keizo Miyasaka, et al, J Mater Sci, 1983 (18)
26、Masao Sumita, Hidetoshj Tsukihi, Keizo Miyasaka, et al, J appl Polym Sci, 1984 (29)
27、董税，徐伟平等，塑料工业，1997(3)
28、邓厚礼，无机盐工业，1990 (5)
29、陈波，矿物短纤维在造纸中的应用，中华纸业，第23卷第6期，2002年，
30、周青，张家学，周建安，关于矿物晶纤粉体与高分子在复合体系中的相互作用及其功能性探讨，玻璃钢通讯2002年第2期，
31、乔生儒，复合材料细观力学性能，西安：西北工业大学出版社，1997年
32、孙曼灵编，增强塑料——细观结构与力学性能，西安：西北工业大学出版社，1989
33、陶婉蓉等，高性能聚合物基复合材料，上海：上海科学技术出版社，1993
34、卢锡年，刚性颗粒填充聚合物的力学行为，见：周履等，复合材料及其结构的力学进展，第一册，广州：华南理工大学出版社，1991
35、郭成，程羽等，Sci颗粒增强铝合金基复合材料断裂与强化机理；复合材料学报，Vol，18，No，4，November，2001．
36、雷友锋，魏德明，高德平，细观力学有限元法预测复合材料宏观有效弹性模量，燃气涡轮试验与研究，Vol，16，No，3．
37、杨书勇，基于计算微观力学的金属／陶瓷梯度材料性能研究，武汉理工大学硕士学位论文2003年．
38、王兴业等，复合材料力学分析与设计，长沙：国防科技大学出版社，1999
39、秦瑞瑶，缠绕夹砂玻璃钢管的成型工艺参数分析，玻璃钢／复合材料1996年第2期
40、相玉芬，封惠敏．大力开发应用玻璃钢夹砂管道，玻璃钢／复合材料，2000年第6期．
41、黄玉东．复合材料界面科学；哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997
42、冷兴武，王荣秋．分形理论在夹砂管上的应用；玻璃钢／复合材料，2003年第2期
43、曹凤坤，于建东等．降低成本 改善性能；玻璃钢通迅，1998年第5期
44、杜善义，王彪，复合材料细观力学，北京：科学出版社，1998．
45、姜作义，张和善．纤维——树脂复合材料技术与应用，北京：中国标准出版社，1990．
46、周履，复合材料力学，广州：华南理工大学教材供应中心，2002．
47、冯嘉春，陈鸣才，无机刚性粒子增韧高分子研究进展，中国塑料，Vol 14，No，11：NoV 2000
48、王鹏飞，王俊勃等，刚性球粒在PEK——C／PF共混树脂复合材料中的增韧增强，玻璃钢／复合材料2000年第1期
49、宣兆龙，易建政等，环氧树脂增韧改性研究，玻璃钢／复合材料1999年第5期，
50、陈建康，黄筑平等，刚性微粒填充高聚物的宏观本构关系，高分子学报，NO，6：Dec，1998
51、陈平，张岩，热固性树脂的增韧方法及其增韧机理，复合材料学报，第16卷第3期
52、陈作荣，诸德超等，复合材料的等效弹性性能，复合材料学报，Vol 17，No，3：August 2000
53、齐海波，吕宝华等，颗粒增强复合材料弹性模量的统计分析方法，工程力学，增刊2001，
54、范建华，许庆余，复合材料弹性模量的等效微分计算，工程数字学报，Vol 20，No，1：Feb，2003
55、周仕刚，薜元德，沈碧霞，关于玻璃纤维增强塑料夹砂管标准中几个问题的讨论，玻璃钢／复合材料，2001年1月