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1、塑料型复合材料的低温力学性能_提要1塑料掣复合材料特别是球娜纤维增 强塑t 4.,.立黄月!生致冷扒的 碑缘和蜻构材料,.本文阐明了琅璃纤维增强塑料的用途,_.井与纂他复合材熟担比燕,特另 月对深冷低温下的应力/应变特性作了论述,.班漓纤堆增强塑料二是在退度为7犷K时子终伸年继球增.味 的唯二复合材料.但在其应力/应变臀上有,一分确定的拐点:二燕这拐卓处娜旨基体少那明显裂纹,.拐点处或裂纹出 那吐,复合材料延伸率则职决于树脂基体的延伸率.深致冷机的研究近来获得了显著进展。塑料型复合材料在深致冷机上常用作绝缘和结构材料。只要基体树脂 和增强材料之间作不同的组合,塑料,仲 l复合材料 的性质就会发
2、生 变化,可 制成 类 似橡胶甚至金属或陶瓷样的各种不!司材料。对贮藏液氢和液氧的火箭燃料桶,以 玻璃纤维、碳纤维、硼 纤维、钢纤维和有机纤维纸绕成型早已作过设想,并有很 多己付诸实用。址 近,句究玻 璃布和 玻璃毡层压板材,把它用l 飞屯液态天然气罐。对深冷容器结构材料的研究数据业已有发表。在超导设备中,用各种高聚物复合材料制作绝缘体、垫 圈、导块、紧固带和容器。在初期试验阶段,曾使用过一些容 易制备的聚合物复合板材,如:绝缘用合成纤维板,酚醛树脂授渍层压板以及聚醋玻璃布层压板。对于长期使用的超导设备,需选用在深冷温度下具有优良力学性能的塑料型 复合材料,并在从室温到深冷的冷却过程中,其热收
3、缩率能与相邻的结构材料大致互相适应。由于超导线圈的温度要降至4“K,即液氦致冷剂的温度,因此对于这一温度下所用材料的性能必须有所了解。但若把许多种塑料型复合材料都在液氦中作试验,则费用较为昂贵。为此,各种复合材料先在77“K液氮 中作试验,对其性能进行检验。然后,经 挑选的材料再在4“K液氦中作进一 步试验。试验方法塑料型复合材 料的 力 学性 能,包 括 在3 00“K(室温)不117 7OK(液 氮)中的拉伸强度以及山3o0OK冷却到77OK时的热收缩率,本试验作 了测定。在7 7”K试验时,拉伸试 体 是及在致冷器的液 氮中加载的。加载速度为2毫米/分。图1为拉伸试体尺寸。片材试体的厚度
4、即是所提供的材料厚度,为0.0 50.2 5毫米。复合材料和层压板试样由压制或模注而成,厚为0.7:毫米。将所测的负荷/位移曲线转为应力/应 变曲线,山此,可求 出拉伸模量。根 据这些 数值,即 可进 行 不 同材料的评价比较。一之塑箭)洲洲洲胃胃:!I I IL L L L L L L L L L L冰冰恻恻恻图1拉f 4 l试样尺材料 的 热 收缩 率则按下法 测定:内径比毫米、长30。毫米的石英玻璃管底部放 置直 径约为1 0毫米,长为刘毫米 的试体,管内再 装人一根长约么刘毫米的石英玻璃 棒,棒底部正 压 在试体的顶面。石英棒上端装_匕千分表并套在石英管内。石英管下部的1/3没在液氮中
5、,并测其热收缩率,石英管上有一小孔,以使液氮进人管内与试体接触。片材叠起后用细线在几处加以 固定而制成试体,复合材料或层 压板材的试样则由厚块加工而成。片材性能片材性能汇J曾.于表1。虽然不能认为聚合物薄膜的性能在77“K和4“K相似,但可 以 认为在”。荞不适用的材料,在K一定更不适用。井可以顶计到,7 7OK时的强靡和模最较纂粼瞬翠漂默、些.角坪伸率,饵奉对聚乙烯薄膝它的热乎与其慈伸半一样大,故傅皮纸和石英纸收瀚较小,但”。K时,其延伸本也很小。用时同时应予竺 爷率几注本,牛还应注澎到,友命材料性鹅所测材料性能总列于表2。对复合材料而言,.7 7“K时的强肺和雄最大于30 0K,而边缘处的
6、梅收缩大于平面的热收缩,对于平面上的热收翰率,碳/玻瑞握织布层压板材极 为微小。除塑料型复合材料外,用于超导设备的另一种结构材料是不锈钢,其热收驹率约为02 00.28%。复铜超导体的热收缩率比铜要低,口.片性能表1片材(甄。舞蠢拉伸(Xi og牛模量顿/米盆)拉伸延伸串(终)热收 缩率(耳)咨叮度沙祠一月米,类类别别材料料30 0.K7 7.K K K30 心.K7 7.K K K30 0.K7 7.K K K3 0 0一K叶7 7.K K K纸纸纸牛皮纸纸100150 0 05.015 5 541。2 2 2月叫户户聚聚聚乙烯烯6 01 20 0 00.32.0 0 02 05 5 50。
7、10 0 0芬芬芬香尼龙龙9 0150 0 03。06 6 62 03。0 0 01。2 2 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0。20 0 0无无纺布布聚幽幽2 030 0 0 0 05530 0 00。5 5 50 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.5 5 5薄薄膜膜聚酮酮15030 0 0 0 0 03。0 0 0聚聚聚乙始始201 1 0 0 0 0 00。8
8、 8 8聚聚聚陈旅欲亚胺胺1403 00 0 0 0 00.35 5 5聚聚聚酸亚胺胺1803 0 0 0 0 0 0 0 0玻玻璃布增强环暇作背衬的云母纸纸11012 0 0 0 0 00。17 7 7无无纺布增强环氧聚幽 作背衬的云母纸纸120150 0 0 0 00。24 4 4冷复合材料性能表2率伸)延书伸(拉拉伸强度X10。牛顿/米名)拉伸模盈(Xlo,牛顿/米2)热收缩率a0 0K77.K(拓)30O.K7 7.K3OO.K7 7.K330.K7 7.K平直方向边角方向1.l.1 2 810 0:;):P艺oU。jJ0。7 毛6.75乙6 0675115。10。之00。65碑了月了
9、勺,人111l!川|一|一卜米布纸布一料材:、一-材强一一增 牛棉一玻一合一题体醛一酝复币酉一鹤一!基.酚一聚,J口D 自0月0.百886 8 6.”nUn甘食UOJ.、J几甘口6 457.n”n n八U日即了20 0 09 一7甲口n月J 内6 O U,弓 侧U01人J7.:0C0 0 00onnn趁O口月了,曰吕.勺,五内才六J,;.,去,山J.勺6J,o nnUl.J1.14。U遗。0 nd皿J,二甲.勺,二.424 74230111.孟环氧2.52,32。35.54.45.61 31 18.83 6 1 77.15.50.78.一侧宁.0.98一0.991 01 06.63 11 65
10、.73.9人造纤维纸聚醋布尼 龙布玻璃布玻璐粗纱布玻璃毡碳,玻璃混纺 布云母纸.、扔举布钢丝布486 79724037 013084010579309011 71314 6057 02508 4 71 239 155。,_。一1_00.00.2-9 61501151247。2132。21。00.08料板材合压组塑木纸4002 5 一0.3 0%,甚至更多一些。考虑受热收缩影响的配合情况,玻纤增强塑料要优于其他复合材料。玻纤增强塑料的延伸率在77OK时大于30 0OK,这是在其他组合的复合材料中从未见过的一种特性,故对该种材料作了较为仔细的试验。玻纤增强塑料性能试体是由基体树脂和增强玻璃布组成的
11、无孔隙层 压板材。玻纤重量百分含量为4 8%,即体积百分比约为32%,试体由真空浸渍法制取,厚约为1毫米。环氧复合材料以及由环氧树脂和粉末填料或纤维所制复合材料的机械性能和电性能,早已作过讨论。但没有任何一个研究者曾发现过,在深冷温度下,玻纤增强塑料的应力/应变曲线 上有较为明显的拐点,而这正是环氧/玻璃布层压板材所具有的特征。环 筑树脂性 能表3列出了所测环氧树脂组分及其性能。树脂A是脂环族环氧,B是双酚A环氧,而C、D和E是在B中加入聚乙二醇(作为增 韧荆)所得的柔性环氧。这5种环氧用于研究基体树脂柔韧性对复合材料性能的影响。结果表明,树脂玻璃化温度越低,77OK时拉伸延伸率越大。热收缩率
12、也显示相似的趋向,只是其变化小于拉伸延伸率的变化。表4列出了所测环氧/玻璃布复合材料的性能。玻璃布牌号为WE1 8G,用氨基硅烷处理过。图2是由表4所列数据连成的曲线。由图可.见,在”。K时树脂延伸率越大,则在该温度下复合材料的强度和延伸率也越大。在77“K时延伸率比室 温时为大,这也是 玻纤增强塑料的特点之一。当所用树脂 的延伸率较大时,所成复合-表3材料的延伸率之差也越大。图3是”“K时典型的应力/应变油戴准破断前1/3!。剧。、.1玻璃化转l拉伸延伸率落热炸维半赘竺 L兰一色矍应 霎 剑玉叠 笠丛遗 聋:遍多丛豁豁澹e:;了,1 00 0 015019 0 0 03。12。6砚砚固固化剂
13、HT,07 7 790 0 015小时时1 0 0 0 04.22.81 1 1茱茱簇二二0.5 5 5 5 59 O O O5.63.1 1 1甲甲胺胺胺胺胺胺胺胺胺胺胺胺胺70 0 0413。5 5 5环环氧CY2 07 7 7100 0 0120固固化齐 dHT9 0_ _ _60 0 0ZJz、n诬-对J 旨B B B16 0 0 0,1 2 0增增韧剂DY04 0 0 0)20 0 0)2 4小时时时时树树脂B B B1 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0(增韧剂DY04 0 0 0)4 0 0 01 2 02 2 2 2 2 2
14、2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 24小时时50 0 0544。0 0 0树树脂B B B:一1 20增增韧剂D Y0 40 0 0 0 0,2 4小时时时时到1/。区间内,可面萌夏 扇拐点。而在3o 0OK所测的应力/应变图上,任何树脂所得的复合材料都无拐点 出现。1 9 5OK(混有硅油的干冰)试验 时,人、B、C基体树脂有拐点出现淤蕊声贝u没有。麒丁一一一洲月、勺丫一一一豆面甲甘耗拉搔走(时币奋环叙玻玻布复合材料性能表4毖毖体体4,、1山,1兄江江拉伸模遨遨拉仲延仲率率不不斌斌300K7 7K K K(10,牛钡钡(终)时时脂脂2,。2 9
15、2_ _ _3o0.誊27.K K K300.K77.K K K 里6。5,-”7。2。83.4 4 4在在在i一,55。“4。85。6 6 61 1 1 1 1 1 1 1 1“50 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0B B B B B B B9。111 1 1 1 1C C C C C C C8,713 3 34。45。8 8 88 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8。212 2 24.75。9 9 9一一刃刃刃5。61 0.5 5 5孙14466 6 6E E E E E,。55,5 5 5 5 5 5 5城杜睡冲率(%图2环氧玻璃布层压板
16、不同退度下拉伸性能的 比较闷卜之之之旅柱龙仁(%)图3玻璃布(WE1 8G)与树脂基体A、C、E的复合材料在77OK的典型应力/应变曲线(小圆点表示拐点).c r图4树脂基体与复合材料在7 7OK时延伸率之间的相互关系图4表示了77OK时基体树脂延伸率 与相应复合材料廷伸率之间的相互关系。可以看 到,复合材料在拐点处的延伸率与树脂基体延伸率密切相关。复合材料拐点处的延伸率约为纯树脂延伸率的2/3。对于这一事实,讨论如下:如前所述,试样中玻璃体积含量约为3 2%,基体树脂约为6 8%。因玻璃布为双向布,故玻 纤的一半在应力和应变方向,而另一半则在与应力成直角的方向上。当各层的位置排列得使应力和应
17、变处于这样的状态:即在应力方向上,玻璃纤维占其总长度的3 2%,而基体树脂则占其总长度的6 8%。假如大部分应变是由墓体树脂所产生,那末,当复合材料延伸率为纯材脂延伸率的6“%时,树脂墓体中便会产生一个裂纹。玻璃丝织成玻璃布时,因编织之故不直而呈波形。因此可设想在玻璃经纱方向上延伸率比较大。断裂延伸率是指经向玻璃丝断裂时的应变值。在应变较小时出现了拐点,说明填充于横向玻璃丝 间树脂基体的破裂。.口对于以树脂B作基体的试体,在 3 00K和7 7OK时所形成的裂纹尺寸有所差别。3o 0OK所生的裂纹比较小,以至于不象树脂基体的断.裂,只能解释成玻纤与基体树脂界面的脱结。可是,7 7“K所生的裂纹
18、却比较大而且明显,以至可认为完全是树脂基体的断裂。基体树脂D比起树脂B,有较大的柔性和伸长率,它在77OK的裂纹相对比较小些,但与其在3 0 0“K产生的裂纹也有显著差别。当对玻璃布中与玻璃丝成4 5“角的方向施加应力时,能看到类似的现象。同样,璃玻毡,玻璃粗纱布,在它们的应力/应变图中都可 见到拐点。用其他材料增强的复合材料性质列于表2中。但是 除玻纤增强 塑料外,它们都无拐点。虽 然单向玻纤增强塑料未作过试验,但文献资料介绍中没有出现应力/应变图的拐点。即使是玻璃布层压板材,若玻璃纤维与树脂基体的粘合力有所减弱,则在7 7OK,应力/应变曲线上,拐点也可能消失。图5是玻璃布2 18 2“氨
19、基硅烷处理的及未作处理的两种)与树脂D所制层压板材的应力/应变图。该板材厚为1.,0 0毫米,玻璃的重最百分含量约为5 0%。干澡时,在7 7OK的应力/应变曲线上能看到一个拐点。但试体若用未处理的玻璃布制成,并且在10 0水中煮沸2小时,则就不再 出现拐点。这大概是由于纤维/树脂间界面结合受到了减弱,或者是并未产生局部的脱结所致的结果。材幼幼(丫茶分莫布蓄洲f.IJ么.东口材月共翻酬阵J.口李刃月,激冷试验激冷洲(K乒枷.如畴斑爪级别L9C J 1月压L孙咋伪理30 0叶1951 0101 01 01 0195衬77681 01010之0 0神7700石101 0艺0 0叶4C5C101 0
20、八j公左气魂幸牌乒。刀704.0幻妓加叫图艺在10。水中煮沸2小时(基体树脂为D,玻璃布为21 8 21)的复合材料应力/应 变图线圈用模注树脂的韧性为了防止因电磁力 引起内部导 线的移动,保证即使在极强的磁场中仍能保持良好的超导性,超导 线圈预 浸淡树脂后模制而成。所用树脂需有足够的韧性,使之反复冷却到深冷温度也能防止裂纹的产生。超导体的热收缩率约在。.2 5o,3。%的范围,而环氧树脂热收缩率 要有其2.5一4倍之大。热收缩虽可添加如5 10:等矿物填料而减少,但加入填料后,树脂粘 度增高,不可能使线 圈完全浸透。因此,另外 是使用在深冷温度 下仍有较大延伸率的树脂。几种环氧树脂的韧性已列
21、在表3,用以比较评 定其作为模压用树脂的 实用 性。若取一束肠根漆包铜线(直径为1.。毫米)组成的 线束插在试管里,试管内壁涂 以脱膜剂,漆包线 束与 试管内脸空 隙部分填 以环氧树脂。树脂固 化后,除,娜皮耽补,即 可得到外径8毫米、长l。毫米 的 试沐。一卜恨这 样的试体,每根由一束漆包铜线模注在环氧树脂中而成,按表3所列5类树脂各制备 一组试体。这些树脂都是透明的,试样中产生的裂纹能从外面清楚地看出。将这些试体按表5所列分四级作激冷试验。表5中所列数字表示在每种情况下,十根试样中保特无裂纹 的试样数。当使用墓体树脂D和E时,即使把 它们从 第四级,即从室温 直接扔入 液氮也没有一个试样会
22、产生裂纹。因此可以说,基体树脂D和E用作超导 线圈的模 注用树脂具有足 够的 韧性。在 大5中,基体树脂A、B和C会产生横截于导 线方 向的裂纹。这些裂纹的 大 多数产生在三级 或三级之前。换言之,在”“K没有问题的配方,在4“K也不会有多大问题或者也是 没有 问题。对这些树 脂组成复合材料的其他许多力学性能也可以作 出基本相似的判断。基体树脂 的力学性 能在3o0OK和7 7“K之间变化很大,但没有了7OK和4OK之间差别那 么大。而增强材料,诸如玻璃纤维、碳纤维、钢纤维和有机纤维的力 学性能在7 7“K和4 oK之间,或在3 0。“K和4“K之间,变化都不太大,由此也 可推 认,这些复合材
23、料7 7“K的 力学性能也基本上同于IOK。因此,如本文开始所述,根据在7 7“K所测 的数据来讨论4“K左右的深冷温度 下所用 的 相对优 劣性不会有多大危险。结论环氧树脂层压材料在深冷温度下具有较大的断裂延伸率,这是其他 塑料型复合材料所没有 的优点。但当其应变相当于断裂应变的1厂3或1/2时,会由于树脂断 裂 而 出现大而 洁晰的裂纹,同时,在其应力/应 变图_二有明显的 拐点出现。拐 点时的应变依约 为末增 强 的纯树脂断裂延伸率的2/3。因此,用较 尤延 伸率的柔性树脂作 基体的复合材料,不苦其热 收缩性如何,即使在深冷低温下也有很大韧性。因此,玻璃化温度较低(5 0一7 0)的柔性环氧树脂可推荐用作深致冷机械中所用复合材料的基体树脂以 及模注超导线圈 所用的浸渍树脂。(倪莲生译自“Coopo site s”Vol.1 1,N O.2,198 0,翁祖祺校)