摘 要

环氧树脂由于力学性能良好、耐腐蚀性好、与纤维粘接性能良好等特点而被越来越多应用于复合材料中作为基体材料，但人们对其与碳纤维的匹配性研究较少，本文主要研究高模碳纤维与芳香胺/环氧树脂的粘接性能以及两者模量对复合材料的力学性能的影响，从而对高模碳纤维增强环氧树脂的复合材料的设计、生产与制造具有一定的指导意义。

本文通过对比分析芳香胺/环氧树脂和酸酐/环氧树脂的力学和热学性能，测得芳香胺/环氧树脂与酸酐/环氧树脂的Tg为150℃与120℃，其模量分别为3.21GPa与2.91GPa。并在此基础上制出高模碳纤维增强环氧树脂复合材料的单向板，通过复合材料的平均效应预测其0°方向上的拉伸弹性模量，M40J与M30S高模碳纤维增强芳香胺/环氧树脂复合材料的0°拉伸模量预测值为209GPa与178GPa，对其进行力学性能测试，得拉伸模量及弯曲强度数据，M40J及M30S高模碳纤维增强的芳香胺/环氧树脂和酸酐/环氧树脂的0°拉伸弹性模量与弯曲强度分别为183GPa与1120MPa及102GPa与1280MPa，其中0°拉伸弹性模量达到预测值值的87.6%及57.22%。结合树脂性能总结出复合材料力学性能的影响因素，对比高模碳纤维增强芳香胺固化环氧树脂体系和酸酐固化环氧树脂体系的差别，从而找出影响高模碳纤维增强材料性能发挥的因素，进而为复合材料的力学性能提升提出建议。

关键词：环氧树脂；匹配性；碳纤维增强环氧树脂；模量

Abstract

Due to the excellent mechanical properties、good corrosion resistance and great bonding properties, the epoxy resin is used as the matrix material of composite materials frequently ,nevertheless, the matching study of fiber with epoxy resin are few. In this paper ,we mainly study how the adhesive properties and modulus of carbon fiber and epoxy resin influence the mechanical properties of composite materials, which will guide the manufacture of high modular carbon fiber reinforced plastic.

This paper studies on the difference of mechanical and thermal properties of three kinds of epoxy resin system，and we get the Tg of the aromatic amine/epoxy resin and the anhydride/epoxy resin as 150℃ and 120℃,and their modulus are 3.21GPa and 2.91GPa. then, the unidirectional plates made by the high modular carbon fiber reinforced epoxy resin are manufactured to get mechanical properties test, therefore, the tensile modulus and bending strength data will be known, and we get their tensile and bending modulus as 183GPa、1.12GPa and 102GPa、1.28GPa,which reach 87.6% and 57.2% of the predicted tensile value as 209GPa and 178GPa . The difference of high modular carbon fiber reinforced aromatic amine/epoxy resin and high modular carbon fiber reinforced anhydride/epoxy resin can be summarized, so as to find out the factors that effect the mechanical properties performance of high modular carbon fiber, then some suggestions to improve the modulus of composite materials can be given .

Keywords: Epoxy resin；Carbon fiber reinforced plastic；Matching；Modulus

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 双酚F型环氧树脂性能 1

1.3 树脂研究方法 2

1.3.1 差示扫描量热法（DSC法） 2

1.3.2 动态力学分析法（DMA法） 3

1.4 碳纤维增强环氧树脂复合材料的性能及研究现状 3

1.5 碳纤维增强环氧树脂模量预测 5

1.6 力学性能测试方法 5

1.7 本课题的提出及研究内容 6

第二章 双酚F型环氧树脂热学及机械性能研究 7

2.1 实验部分 7

2.1.1 原料及实验仪器 7

2.1.2 DSC法测试与试样制备 8

2.1.3分析测试 8

2.2 结果与讨论 9

2.2.1 环氧树脂热学性能 9

2.3 本章小结 13

第三章 高模碳纤维增强环氧树脂的力学性能研究 14

3.1 前言 14

3.2 实验部分 14

3.2.1 原料及实验仪器 14

3.2.2 试样制备 15

3.2.3 分析测试 15

3.3 结果与讨论 16

3.4 本章小结 19

第四章 结论 21

参考文献 22

致 谢 24

第一章 绪论

1.1引言

在航空航天，交通运输，风电叶片制造，化工防腐，建筑工程和体育器材等领域中，由于要达到满足工作状况下的受力条件、提高相应结构工作效率、提高运载能力、节省燃料等目的。因此对相应结构材料的相关力学性能提出了许多要求。高模碳纤维增强环氧树脂复合材料由于具有比强度高、比模量高、结构尺寸稳定、抗腐蚀以及耐热性好等诸多优点，既可以作为结构复合材料承受较大载荷，还可以经过相关设计作为功能复合材料具有相应功能。因此被广泛应用于以上领域，并得到充分的重视^[1-3]。

碳纤维增强环氧树脂复合材料制造成型时，基体树脂的原始状态应是粘度适当的液体，既可以良好浸润增强纤维，又不至于流胶过多，并在要求温度和时间下固化成为硬质固体材料，从而粘住增强纤维。虽然复合材料的载荷主要是由其中的增强纤维来承担的，但基体树脂的力学性能却会显著地影响到增强纤维的作用方式和作用效率。如，对于没有与相应基体进行复合的纯纤维束，较多的载荷都是由拉伸的最直的纤维来承担，而基体的作用是让应力较均匀地分给所有纤维。因为基体的变形，让所有的纤维都有着相同的应变，从而应力就能够以剪切的方式得以传递，这一过程就对所使用的增强纤维和基体树脂的性能有所要求 ^[4-6] 。