隨著科技與經(jīng)濟的快速發(fā)展，纖維增強樹脂基復(fù)合材料在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，但復(fù)合材料構(gòu)件在使用過程中由于外界影響會逐漸產(chǎn)生損傷和破壞，其中主要破壞形式之一是疲勞損傷［1］，因此纖維增強樹脂基復(fù)合材料的疲勞性能對其應(yīng)用具有重要的影響。
目前復(fù)合材料疲勞研究主要是復(fù)合材料構(gòu)件在交變載荷作用下的疲勞損傷機理、疲勞特性( 強度、剛度隨著時間變化規(guī)律及其破壞規(guī)律) 、壽命預(yù)測及疲勞設(shè)計，大多都處于探索階段。本文著眼于兩種胺類固化體系復(fù)合材料的彎曲疲勞特性的對比，使用環(huán)氧樹脂作為基體，選用兩種不同的胺類固化劑制備了纖維增強樹脂基復(fù)合材料試件，采用三點彎曲式的動態(tài)疲勞加載方式，在固定頻率下對比了兩種胺類固化體系復(fù)合材料的彎曲疲勞性能。
1· 實驗材料及方法
1． 1 實驗材料
E-51 環(huán)氧樹脂( CYD-128) : 工業(yè)級，湖南岳陽石化有限公司; 04 無堿無捻玻璃纖維方格布:常州253 廠; 四乙烯五胺: 分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司; 改性胺: 工業(yè)級，自制改性后的二乙烯三胺; 8#脫模蠟: 美國Glaze 公司。
1． 2 試樣制備
1． 2． 1 基體樹脂澆注體試樣制備
使用E － 51 環(huán)氧樹脂( CYD － 128) 與四乙烯五胺和E － 51 環(huán)氧樹脂( CYD － 128) 與改性胺分別在不同模具中澆注出拉伸試樣和彎曲試樣，常溫放置2 ～ 4 h，再放入60 ℃烘箱中后固化6 h，將固化后的樹脂澆注體冷卻脫模，將試樣用砂紙打磨平整，使用游標卡尺對試樣尺寸測量3 次后取平均值進行記錄。
1． 2． 2 復(fù)合材料試樣的制備
分別使用E － 51 環(huán)氧樹脂( CYD － 128) 與四乙烯五胺樹脂體系、E － 51 環(huán)氧樹脂( CYD －128) 與改性胺樹脂體系和04 無堿無捻玻璃纖維方格布采用手糊方式各制作一厚為16 層、尺寸為30 mm × 30 mm 的層合板，常溫固化1 ～ 2 d后，放入60 ℃烘箱中6 h。固化后將層合板制成拉伸和彎曲試樣，再次放入烘箱內(nèi)在60 ℃烘干，然后對試樣進行打磨，使用游標卡尺對試樣尺寸測量3 次后取平均值進行記錄。
1. 3 實驗測試方法
1. 3. 1 實驗儀器和工具
電子精密天平; DHG － 9245A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱; XXJJ － 50 型切割機; ＲGM － 30 － A 型微機控制試驗實驗機; 彎曲疲勞試驗機;
1. 3. 2 實驗操作內(nèi)容
1. 3. 2. 1 靜態(tài)下的彎曲和拉伸試驗
澆鑄體和復(fù)合材料試樣的彎曲試驗按GB /T2570 － 1995 方法進行，拉伸試驗按GB /T1447 －2005 方法，測量試樣尺寸時精確到0. 02 mm，將試樣在標準狀態(tài)下或干燥器中放置至少24 h 開始試驗，按規(guī)定速度均勻連續(xù)加載，直至破壞，讀取相應(yīng)的強度和模量數(shù)據(jù)并記錄。
1. 3. 2. 2 動態(tài)疲勞加載試驗
動態(tài)疲勞加載試驗采用的是三點彎曲疲勞試驗的方法進行［2］，在固定頻率的條件下通過調(diào)節(jié)不同的應(yīng)力振幅水平測試兩種胺類固化體系復(fù)合材料試樣彎曲疲勞性能的變化趨勢。首先根據(jù)靜態(tài)下測得的復(fù)合材料試樣彎曲強度和模量來計算出兩種配方各自所能承受的最大應(yīng)力振幅理論值，在固定頻率15 Hz 的條件下，調(diào)節(jié)應(yīng)力振幅水平進行疲勞加載試驗，一個工作周期完成后按照GB /T 1449—2005 標準測試此狀態(tài)下復(fù)合材料的彎曲模量并記錄，待模量下降了15%即可停止試驗，振幅較大時工作次數(shù)不局限于模量下降15%，可以繼續(xù)測量以便與其他振幅狀態(tài)進行比較。其中多胺配方振幅范圍為最大應(yīng)力振幅的30% ～ 90%，改性胺最大應(yīng)力振幅的30% ～ 70%( 由于疲勞試驗機本身振幅的限制只能測試至70%) ，首次試驗選取的振幅水平應(yīng)為兩種配方最大應(yīng)力振幅的60%［3-4］。
兩種配方各自所能承受最大應(yīng)力振幅理論值的計算公式如下［5］:
其中f 代表所能承受的最大應(yīng)力振幅的理論值，P 為最大載荷，l 為跨距，E 為彈性模量，b 、h 分別為試樣的寬和厚。
2· 實驗結(jié)果與討論
2. 1 環(huán)氧樹脂澆鑄體彎曲性能實驗
用ＲGM － 30 － A 型微機控制材料試驗機測試環(huán)氧樹脂澆注體的彎曲性能和拉伸性能，結(jié)果如表1、表2。
2. 2 復(fù)合材料試樣的彎曲性能實驗
用ＲGM-30-A 型微機控制材料試驗機測試復(fù)合材料試樣的彎曲性能，結(jié)果如表3。
2. 3 復(fù)合材料試樣疲勞加載中的彎曲性能實驗
分別設(shè)定彎曲疲勞加載試驗機的加載振幅為多胺最大振幅的30% ～ 90% 和改性胺最大振幅的30% ～ 70% 進行加載試驗，在設(shè)定的加載次數(shù)結(jié)束后使用ＲGM-30-A 型微機控制材料試驗機測試復(fù)合材料試樣經(jīng)過疲勞加載后的彎曲性能，并將測得結(jié)果繪制成不同應(yīng)力振幅水平下彈性模量與加載次數(shù)的關(guān)系圖，如圖1 和圖2。
從多胺和改性胺總體的變化趨勢來看，兩者的共同點是應(yīng)力振幅水平越大，模量保留率越小。多胺固化體系只有在30%和40%應(yīng)力振幅水平下能承受40 000 次加載后才出現(xiàn)破壞，但改性胺固化體系在30% ～ 70% 應(yīng)力振幅水平下均能承受40 000次的加載，且相同應(yīng)力振幅水平下改性胺固化體系的應(yīng)力振幅較多胺體系的要高。
根據(jù)公式( 1) 計算得出多胺固化體系最大應(yīng)力振幅的80%和改性胺固化體系最大應(yīng)力振幅的70%相近，兩者經(jīng)過相同的加載次數(shù)時，多胺固化體系彎曲模量下降較改性胺固化體系的快，見圖3。
從上圖兩曲線的變化趨勢可以看出，多胺固化體系的下降趨勢較改性胺固化體系明顯。
2. 4 討論
從兩種配方制得的試樣在不同應(yīng)力振幅水平下疲勞加載過程中模量的變化趨勢可以看出:
( 1) 不同配方制得的試樣在經(jīng)歷相同工作次數(shù)的疲勞加載后模量均呈現(xiàn)出下降的趨勢; 應(yīng)力振幅水平越大，模量下降也越快;
( 2) 相同應(yīng)力振幅水平下，改性胺固化體系可以承受的加載次數(shù)比多胺固化體系高出較多，且改性胺固化體系的應(yīng)力振幅較大; 相近應(yīng)力振幅下，改性胺固化體系的模量下降趨勢較多胺固化體系的緩慢; 改性胺固化體系的試樣的抗疲勞性能較多胺固化的更好。
相同條件下，改性胺為固化劑時性能比多胺為固化劑抗疲勞性能好的原因主要是改性胺與四乙烯五胺相比增加了主鏈的長度，其柔順性更好。柔順性好的原因可能是:
( 1) 一般來說分子主鏈越長，構(gòu)象數(shù)目越多，鏈的柔順性越好［6］。
( 2) 非極性主鏈越長，分子間的作用力減弱，表現(xiàn)出來的柔順性越好［7-8］。
( 3) 主鏈全部由單鍵組成時，鏈的柔順性較好。并且主鏈結(jié)構(gòu)的柔順性相比－ C － N － 的柔順性較－ C － C － 要好，并且四乙烯五胺和改性后的二乙烯三胺中所含的極性基團數(shù)目一樣，但是改性后的二乙烯三胺的極性基團所占的比例要小，這也是其柔順性較好的一個原因。
改性后的二乙烯三胺由于增加了主鏈的長度，且主鏈全是單鍵構(gòu)成，與四乙烯五胺相比其柔順性要更好，結(jié)構(gòu)的規(guī)整性與分子內(nèi)部及分子間的相互作用的綜合影響使得改性后的二乙烯三胺的性能更好。
3· 結(jié)論
( 1) 改性胺固化體系制得的試樣與多胺固化提下制得的試樣相比具有更為優(yōu)異的抗疲勞性能。
( 2) 在相同的固化體系下，應(yīng)力振幅越大，試樣的抗疲勞性能會越差，試樣的疲勞壽命也越短。
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