固化制度对生物基环氧树脂基碳纤维增强层合板的影响

《Polymers》：Effects of Curing Schedules on Carbon-Fiber-Reinforced Laminates with a Bio-Based Epoxy Matrix

　　

采用生物基环氧树脂制备的碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料为非热压罐（OoA）技术生产可持续轻质结构提供了一种有前景的途径。固化制度会影响环氧基体的状态，进而可能影响纤维-基体相互作用和层合板性能。本研究以商用生物基环氧树脂IB2为基体，通过真空灌注制备2×2斜纹编织碳纤维层合板，考察实际固化条件的影响。研究人员将制造商推荐的室温条件（25 °C、24 h）与40、50、60和70 °C下12 h的加速模具加热程序进行了比较。通过拉伸试验和三点弯曲试验、热变形温度（HDT）测量、差示扫描量热法（DSC）和扫描电子显微镜（SEM）断口分析对层合板进行表征。拉伸响应对所研究的固化条件敏感性有限，平均拉伸强度在634.01至672.95 MPa之间；T60表现出最高的平均数值拉伸强度（672.95 ± 53.60 MPa）和拉伸模量（53.39 ± 11.53 GPa），尽管相对于实验离散性差异较小。相比之下，弯曲响应对工艺条件更为敏感。T70表现出最高的平均弯曲强度（980.60 ± 129.03 MPa）、最大弯曲应力应变和至最大应力的应变能密度（8.75 ± 1.89 MJ/m³）。热变形温度（HDT）从T25的65.20 °C系统增加至T70的85.83 °C。DSC显示第一次加热循环中固化后的量热响应存在明显差异，而第二次加热中段的玻璃化转变温度处于相对较窄的80.9–85.6 °C范围。SEM断口分析显示，在所有固化条件下均存在与纤维、基体和界面相关的混合拉伸失效机制。总体而言，结果表明，加速12 h加热模具程序可以在保持拉伸性能与24 h室温IB2参考条件总体相当的前提下缩短固化时间，并提供更高的平均弯曲性能和承受载荷下的抗热变形能力。这些发现建立了与开发面向轻质航空航天应用的生物质基CFRP OoA层合板相关的工艺-性能关系。

随着航空航天结构对轻量化、低能耗和低排放要求的不断提升，碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因其高比刚度、比强度、抗疲劳和抗腐蚀等优势而成为重要的结构材料。然而，传统石油基热固性树脂的环境负担推动了生物基环氧体系的发展。固化制度是影响环氧基体状态和纤维-基体相互作用的关键工艺参数，但其定量影响因树脂化学、增强结构和制造工艺而异。在此背景下，研究人员选用商业化生物基环氧树脂IB2和2×2斜纹碳纤维织物，通过真空灌注制备层合板，系统研究了25°C/24h室温固化与40、50、60、70°C/12h加速加热模具固化五种程序对层合板力学和热性能的影响。该研究发表于《Polymers》期刊，旨在建立工艺-结构-性能关系，为生物基CFRP非热压罐（OoA）层合板的实际固化方案选择提供依据。

研究人员采用Easy Composites Ltd.提供的IB2树脂（与固化剂质量比100:22）和面密度200 g/m²的2×2斜纹碳纤维织物，按[90°/0°/+45°/?45°/0°/90°]铺层顺序制备六层织物层合板。真空灌注压力约?0.7 bar，固化后试样在实验室环境调理7天。力学测试包括ISO 527-4拉伸试验和ISO 14125三点弯曲试验；热学测试包括HDT测量和DSC分析；断口形貌通过SEM观察并用ImageJ进行树脂覆盖率半定量分析。

### 3.1 拉伸试验

拉伸试验显示，五种固化条件下层合板的拉伸性能差异有限。平均拉伸强度处于634.01～672.95 MPa之间，其中T60获得最高平均拉伸强度（672.95 ± 53.60 MPa）和拉伸模量（53.39 ± 11.53 GPa），但差异未超出实验离散范围。应力-应变曲线均呈近似线弹性至脆性断裂，说明拉伸性能主要由连续碳纤维主导，对固化制度不敏感。

### 3.2 弯曲试验

三点弯曲试验表明，弯曲响应明显依赖于固化程序。T25平均弯曲强度为694.82 ± 89.00 MPa，T70达到980.60 ± 129.03 MPa，提高约41%；弯曲模量则保持在50.45～53.54 GPa窄范围。T70同时具有最高平均最大弯曲应力应变（1.79 ± 0.15%）和至最大应力的应变能密度（8.75 ± 1.89 MJ/m³）。由于弯曲加载同时产生拉伸、压缩和层间剪切应力，基体和界面状态对弯曲性能的影响更加显著。

### 3.3 HDT测试

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