液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究

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分类号—————————————————————————————————密级UDC研究生学位论文液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究研究生姓名徐玉磊指导教师姓名戴金辉教授申请学位级别硕士专业名称材料物理与化学论文答辩日期2014年5月26日学位授予日期2014年6月26日中国海洋大学万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究摘要目前，深海用固体浮力材料一般是将环氧树脂作为基体，以空心玻璃微珠作为轻质填充材料，从而得到低密度、高强度的环氧树脂基复合材料。深海的高压环境对复合材料的密度、耐压强度等性能提出了极高的要求，同时，如何保证材料整体性能的均一性也成为一个需要解决的现实问题。3本文采用两种不同牌号的空心玻璃微珠K20（密度0.19g/cm，抗压强度33.45MPa，球径D50：65μm，最大球径120μm）和HGS8000X（密度0.42g/cm，抗压强度55.2MPa，球径D50：26μm，最大球径55μm）作为轻质填充物，利用实验室自配的环氧体系，分别采用液压注入成型和模压成型两种成型方法制备了一系列不同微珠配比的复合材料试样。对复合材料不同部位的密度、压缩强度、吸水率及强度保留率分别进行了测试，并对其均一性作了详细的分析，探讨了微珠配比对复合材料性能及其均一性的影响。结果表明，将两种不同直径的空心玻璃微珠以一定的比例进行混合，可以提高复合材料密度、压缩强度的均一性，采用密度较小的空心玻璃微珠来代替部分密度较大的空心玻璃微珠可以有效的降低复合材料的密度，通过改变两种空心微珠的体积比，利用模压成型法可以制备密度为0.542～30.688g/cm，压缩强度为34.4～100.2MPa的复合材料，相应的使用水深范围为2000～11000m。在相同的静水压环境下，空心玻璃微珠的耐压强度越高，其制备的复合材料的吸水率越小，压缩强度保留率也越好。对两种不同成型方法所制备的复合材料性能进行对比，探讨了成型方法对复合材料性能的影响。分析表明，液压注入成型的注入方式及注入压力是影响复合材料性能均一性的主要因素，并且液压注入成型对空心玻璃微珠的耐压强度具有较高的要求。模压成型法所制备的复合材料具有良好的性能均一性，与液压注入成型法相比，在同一微珠配比的情况下可以获得较低的密度和较高的压缩强度，复合材料的使用性能更加稳定。关键词：空心玻璃微珠，环氧树脂，复合材料，成型方法，均一性I万方数据 PreparationandPropertiesofEpoxyResinCompositePreparedbyInjectionMoldingandCompressionMoldingAbstractAtpresent,thedeepseasolidbuoyancymaterialisgenerallyusetheepoxyresinasmatrix,withthehollowglassmicrospheresasfillermaterial,sotheepoxyresincompositehaslowdensityandhighcompressivestrength.Thehigh-pressureenvironmentofdeepsearequiresthecompositehasgoodpropertiesofdensityandcompressivestrength,atthesametime,howtoguaranteetheuniformityofthecompositehasbecomearealisticproblemthatneedtobesolved.Thispaperusestwokindsofhollowglassmicrospheresasthelightweightfiller,3theyaretheK20(density:0.19g/cm,compressivestrength:3.45MPa,diameterD50:365μm,biggestdiameter:120μm)andtheHGS8000X(density:0.42g/cm,compressivestrength:55.2MPa,diameterD50:26μm,biggestdiameter:55μm),theepoxyresinsystemismadeinourlaboratory,aseriesofcompositematerialswithdifferentvolumefractionofglassmicrospheresispreparedbyinjectionmoldingandcompressionmolding.Thedensity,compressivestrength,waterabsorptionandstrengthretentionrateofdifferentpartsofthecompositearetestedrespectively,andmakesadetailedanalysisofitsuniformity,theinfluenceofHGM’svolumefractiononpropertiesandtheirhomogeneityofthecompositeisdiscussed.Resultsshowthatitcanimprovetheuniformityofdensityandcompressivestrengthofthecompositebymixingtwokindsofhollowglassmicrospheresinacertainproportionthathasdifferentdiameters,anditcanreducethedensityofthecompositeeffectivelybyusinghollowglassmicrospheresthathaslowerdensityinsteadofpartofthehollowglassmicrospheresthathashigherdensity.Bychangingthevolumefractionoftwokindsofhollowglassmicrospheres,itcanprepareaseriesofcompositematerialsby33compressionmolding,itsdensityfrom0.542g/cmto0.688g/cm,anditsII万方数据 compressivestrengthfrom34.4MPato100.2MPa,whichcanbeusedinthewaterdepthof2000m～11000m.Attheconditionofsamehydrostaticpressure,thecompositehassmallerwaterabsorptionandhighercompressivestrengthretentionrateifthehollowglassmicrospherehashighercompressivestrength.Thepropertiesofthecompositeswhicharepreparedbytwokindsofmoldingmethodarecompared,andtheinfluenceofmoldingmethodonpropertiesofthecompositesisdiscussed.Analysisshowsthattheinjectionpatternandpressureoftheinjectionprocessarethemainfactorsthatinfluencingtheperformanceuniformityofthecompositeintheprocessofinjectionmolding,anditrequireshighcompressivestrengthofthehollowglassmicrospheresintheprocessofinjectionmolding.Comparewiththemethodofinjectionmolding,thecompositehasbetterperformanceuniformitythatpreparebythemethodofcompressionmolding,andinthecaseofsamevolumefractionoftheglassmicrosphere,ithaslowerdensityandhighercompressivestrength.Besides,theusingperformanceofthecompositeismorestablethatpreparebythemethodofcompressionmolding.Keywords:Hollowglassmicrosphere,epoxyresin,compositematerial,moldingmethod,uniformityIII万方数据 目录第一章绪论...............................................................................................11.1引言.................................................................................................................11.2复合材料概述.................................................................................................21.2.1复合材料的历史发展概况..................................................................21.2.2复合材料的分类..................................................................................41.2.3复合材料的特性..................................................................................51.3环氧树脂.........................................................................................................71.3.1环氧树脂发展简述..............................................................................71.3.2环氧树脂类型......................................................................................71.3.3环氧树脂特性......................................................................................81.3.4环氧树脂的用途..................................................................................91.4空心玻璃微珠...............................................................................................101.4.1空心玻璃微珠简述............................................................................101.4.2空心玻璃微珠特性............................................................................111.4.3空心玻璃微珠用途............................................................................121.5深海用固体浮力材料...................................................................................141.5.1固体浮力材料简介............................................................................141.5.2固体浮力材料的分类........................................................................141.5.3深海用固体浮力材料的发展现状及展望........................................151.6本文研究的主要目的、内容及意义...........................................................16第二章液压注入成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究........182.1引言...............................................................................................................182.2实验部分.......................................................................................................182.2.1实验主要原料及设备........................................................................182.2.2实验过程............................................................................................192.2.2.1实验流程及说明.....................................................................192.2.2.2性能测试方法.........................................................................212.3实验结果分析与讨论...................................................................................222.3.1微珠配比对复合材料密度及其均一性的影响................................222.3.2微珠配比对复合材料压缩强度及其均一性的影响........................25i万方数据 2.3.3微珠配比对复合材料吸水率的影响................................................272.3.4微珠配比对复合材料保留强度的影响............................................292.3.5微珠配比与环氧体系临界压力面的关系........................................302.3.6复合材料显微结构分析....................................................................322.4本章小结.......................................................................................................33第三章模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究................353.1引言...............................................................................................................353.2实验部分.......................................................................................................353.2.1实验主要原料及设备........................................................................353.2.2实验过程............................................................................................363.2.2.1实验流程及说明.....................................................................363.2.2.2性能测试方法.........................................................................373.3实验结果分析与讨论...................................................................................393.3.1微珠配比对复合材料密度及其均一性的影响................................393.3.2微珠配比对复合材料压缩强度及其均一性的影响........................423.3.3复合材料的耐静水压性能及吸水率................................................453.3.4复合材料显微结构分析....................................................................463.3.5复合材料的配比及性能....................................................................483.4本章小结.......................................................................................................49第四章不同成型方法对复合材料性能影响的对比............................504.1成型方法对复合材料密度及其均一性的影响...........................................504.2成型方法对复合材料压缩强度及其均一性的影响...................................514.3成型方法对复合材料吸水率的影响...........................................................534.4成型方法对复合材料压缩强度保留率的影响...........................................534.5本章小结.......................................................................................................54第五章结论.............................................................................................56参考文献.............................................................................................57致谢.....................................................................................................62个人简历及在学期间发表的学术论文..................................................63ii万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究第一章绪论1.1引言材料是社会发展与进步的物质基础，当今时代是一个创新的时代，材料的变化日新月异，人类的物质文明也随着材料的高速发展而走向新的阶段。二十世纪七十年代，材料已经成为社会经济发展的三大支柱之一，在国民经济发展中发挥着举足轻重的作用。传统的单一材料已经无法满足现代科学技术突飞猛进的发展要求，将不同材料进行复合成为材料发展的新方向。材料的复合化是指将两种或两种以上的材料复合制成一种新的材料，这种新的材料不仅克服了单一材料在使用过程中存在的性能弱点，而且还表现出某些新的性能，这不仅[1]使材料得到了综合利用，而且使材料的整体性能得到了提高。复合材料作为材料科学中一支独立的科学分支，已经成为继金属材料、陶瓷材料和聚合物材[2]料之后的第四大材料。目前，复合材料受到人们越来越多的关注，其应用领[3]域也已经深入到社会的各行各业当中，尤其是先进复合材料，已经成为国家[4]经济建设的关键材料。二十一世纪是海洋的世纪，与人类所生活的陆地相比，人们对海洋的开发[5]还远远不够。尤其是深海领域，蕴藏着储量丰富的资源。海洋虽然面积广阔，但各个国家都对其储存的巨量资源虎视眈眈，尤其是临海国家之间，经常为领海的划分发生口角，甚至大动干戈。进入二十一世纪以来，各个国家的海洋开发事业如火如荼的进行，在海洋资源的勘测及开采方面投入了大量的物力和财力。我国具有绵延数万公里的海岸线，在如此长的海岸线附近，存在大量的海洋资源和海底矿产资源。要想对海洋进行进一步的开发，则需要对海洋及深海领域进行勘探与考察。深潜技术是深海领域开发过程中所必不可少的，然而目前开发的深海用设备的使用性能难以应对水下的复杂环境，传统的耐压浮力筒[6]和浮力球又无法提供足够大的净浮力，于是深海用固体浮力材料开始进入人[7]们的视野。深海用固体浮力材料是一种复合材料，目前，这种材料的制备一般是以树脂作为基体，内部填充空心玻璃微珠或其它材质的空心球作为轻质填[8]料，通过不同的成型方法而制备。深海用固体浮力材料不仅能够为水下设备1万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究[9]提供足够的浮力，而且对提高仪器设备的使用性能具有十分重要的作用。一些西方发达国家从上世纪六十年代就已经开始了对深海高强固体浮力材料的研[10]制与开发，所制备的固体浮力材料不仅密度低，而且在深海中可以承受较高[11]的海水压力。美国、俄罗斯、日本等发达国家目前已经解决了固体浮力材料低密度与高强度这一技术难题，并且形成了一系列行业标准。与美国、俄罗斯等西方经济、科技实力强大的国家相比较，我国在深海用固体浮力材料方面的研发工作起步比较晚，相关技术还不太成熟，在固体浮力材料的开发与应用方面还有很大的发展空间。我国深海高强固体浮力材料事业的发展始于上世纪八十年代，哈尔滨工程大学、航天部673所、海洋化工研究院等科研单位先后对固体浮力材料进行了研究与开发，并制备了可用于一定水深的固体浮力材料。但由于技术条件的限制，国内所制备的固体浮力材料的性能与国外发达国家相比还有较大的差距。尤其是作为轻质填料的空心玻璃微珠，基本依靠从国外进口，国内所制备的空心玻璃微珠还无法满足对其使用过程中高性能的要求。随着我国经济实力的不断增强和国际地位的逐步提高，我国深海高强固体浮力材料的研究开发工作必将得到巨大的进步，必将对我国的经济实力和国际地位起到巨大的推进作用。由此可见，发展深海高强固体浮力材料事业，对结束发达国家技术和市场的垄断，对我国深海资源的勘测与开发，具有与时俱进的意义[12]。1.2复合材料概述1.2.1复合材料的历史发展概况从社会的发展与人类的进步来看，材料每时每刻都在发挥着重要的作用，尤其是新材料的发展与应用，为推动科技的发展和社会的进步打下了牢固的物质基础。新材料的出现，不仅大大提高了整个社会的生产力，而且给人们的日常生活带来了翻天覆地的变化，使人们能够站在一个更高的水平上去利用和改造自然。人们将两种或两种以上的单一材料在一定的条件下进行复合，从而得[13]到一种新型材料，即复合材料。这种新型的复合材料不仅可以克服原来单一材料在使用过程中存在的一些弱点，而且通过不同材料之间的复合，还可以使2万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究[14]新材料拥有更多优良的性能。国际标准化组织对复合材料所下的定义为：复合材料是由两种或两种以上[15]物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。根据国际标准化组织的定义，复合材料中的各个组分在一定程度上是相对独立的，但材料的整[16]体性能却优于每个组分的加和。在复合材料中，基体相一般是连续的，填充[17]材料则分散在基体相中，填充材料一般为纤维状或颗粒状，并且相与相之间[18]存在着相界面。复合材料所拥有的这类独特的特性，使其可以满足多个领域[19]的应用。近几十年来，复合材料作为一门崭新的学科开始出现和发展，据记载，人们在一百多年前就已经开始使用复合材料了，包括以树脂、沥青等制备的层压板，以及混凝土材料等。二十世纪初期，人们开始了对树脂基复合材料的研究[20]与应用。二十世纪四十年代，复合材料开始进入飞速发展的阶段，与此同时，[21]人们研制出一种具有里程碑意义的新型复合材料，即玻璃钢。玻璃钢是由树脂作为基体，通过填充玻璃纤维而制成，是一种玻璃纤维复合材料。玻璃纤维增强复合材料在航空航天技术方面具有十分重要的应用，可用于制造火箭发动机的壳体以及航天器的螺旋桨等。随着对纤维复合材料的进一步开发，其技术变得越来越成熟，由于其所具有的优良性能，在许多领域中纤维复合材料开始[22]逐步取代金属材料。随着人们对纤维复合材料的不断研究，纤维复合材料中[23]的增强体除了玻璃纤维之外，还包括其它种类的材料。二十世纪六、七十年代，人们开发了以碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维等作为增强材料的[24]纤维复合材料。这一类新型的纤维复合材料具有更高的综合性能，这类复合[25]材料的出现也标志着复合材料的发展已经进入了一个崭新的阶段。航空航天技术对材料的力学性能、抗环境能力和加工性能等的要求比一般的材料要高，针对这一特殊需求，具有更好性能的树脂基复合材料开始登场。[26]比如碳纤维复合材料，其比强度和比模量都比玻璃纤维复合材料要好，由于其具有较高的承压能力和负荷能力，已经在航空航天领域内取得了大范围的推[27]广。用碳纤维来代替飞行器上的一些金属器件，可以减轻飞行器的重量，使[28]飞行器的速度和续航里程大大提高。对航空航天用材料而言，材料的力学性能及其稳定性至关重要，这关系到航空航天事业的顺利进展，以及乘坐人员的3万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究人身安全问题。倘若材料的性能及稳定性无法保证，将会带来难以想象的巨大损失。因此，研究高性能的复合材料对航空航天事业的发展而言具有十分重要的意义。力学性能优良是对纤维增强复合材料等高性能复合材料的最基本的要[29]求，但是在具体的使用过程中，往往还要求复合材料具备其它方面的性能，比如热性能、电绝缘性能及化学性能等。只有当复合材料的这些性能达到与其力学性能相媲美的程度，复合材料的应用才能胜任各种复杂的环境。要想使复合材料在除了力学性能之外的其它性能方面同样具有较高的性能，则需要在生产工艺及成型工艺方面进行更加深入的研究。高性能树脂基复合材料以其优良的综合性能而备受研发人员的青睐，除了在军工领域得到广泛的应用之外，在[30]建筑、电子、化工等许多其它领域也得到了大力的推广。[31]到二十世纪七、八十年代，聚合物基复合材料的发展已经趋于成熟，随着市场需求的增大与提高，以金属、陶瓷等其它材质作为基体的复合材料也逐[32]渐进入人们的视野，受到人们越来越多的重视。以金属为基体的复合材料的成型工艺与树脂基复合材料相类似，但是金属基复合材料的增强材料要比树脂[33]基复合材料的增强材料在强度、模量以及耐热性方面要高出许多。并且，以金属作为基体的复合材料还具备以树脂作为基体的复合材料所不具备的许多优良性能。比如在热性能和电性能方面，以金属作为基体的复合材料则比以树脂作为基体的复合材料表现出明显的优势。目前，金属基复合材料也以优异的表现而得到了大范围的应用。以陶瓷作为基体的复合材料也是一种高性能的复合材料，在高温环境下具有很好的稳定性，可以应用于冶金行业以及火箭发射系统的耐高温设备。以金属作为基体的复合材料和以陶瓷作为基体的复合材料在制备工艺上比树脂基复合材料要复杂的多，因此，其发展水平与树脂基复合材料相比还有较大的差距，还需要人们对其进行更深入的研究与开发。1.2.2复合材料的分类在材料发展的历史长河中，人们总结了各种各样的材料分类方法，虽然每一种分类方法的依据不同，但都可以使人们更加方便的去认识、研究以及使用材料。比如，按照材料的化学性质来进行分类，可以将材料分为金属材料和非金属材料；若按照其用途来进行分类，则可以分为建筑材料、航空材料、电工4万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究材料、包装材料、耐腐蚀材料等。除了以上几种材料的分类方法之外，也有人将材料简单的分为功能材料和结构材料。复合材料作为材料的一个分支，也有一系列的分类方法。既可以按照复合材料的基体类型来进行分类，也可以按照复合材料的增强材料的材质来进行分类，除此之外，还可以从复合材料的功能、增强原理等几个方面来进行大致的分类。[34]（1）根据复合材料的基体进行分类①树脂基复合材料②金属基复合材料③陶瓷基复合材料（2）根据复合材料的增强材料进行分类①增强材料为纤维状的复合材料②增强材料为颗粒状的复合材料③增强材料为纺织物状的复合材料④增强材料为非纺织物状的复合材料（3）根据复合材料的作用进行分类①功能复合材料②结构复合材料1.2.3复合材料的特性复合材料拥有很多与众不同的优良性能，它是由两种或两种以上材料通过特定的成型方法复合而成的，这些材料通过不同的匹配以及设计，使复合材料整体表现出以下特性。（1）优异的抗疲劳性能任何材料在使用的过程中都会受到力的重复作用，抗疲劳性能就是用来表征材料在重复应力作用下的一种性能。在所有复合材料当中，纤维复合材料的抗疲劳性能是比较好的，而在在几种常见的纤维复合材料当中，抗疲劳性能较好的是碳纤维复合材料。金属材料的抗疲劳强度通常是比较低的，可以达到其抗张强度的50%左右，但碳纤维复合材料的抗疲劳强度非常高，可以达到其5万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究抗张强度的90%。碳纤维复合材料的抗疲劳性能之所以好，主要原因是碳纤维本身就具有很好的抗疲劳性能。复合材料的耐疲劳性能除了与其填充物质有关之外，还与复合材料的基体本身有关。材料之所以会产生裂纹甚至发生断裂，是因为材料内部存在着应力集中区。若复合材料基体的塑性比较好，则可以使材料内部的应力集中区大大的减少甚至消除，从而提高复合材料的抗疲劳性能。在基体中加入纤维状增强材料，还可以减缓甚至阻止材料裂纹的恶化，有效的保证了复合材料在使用过程中的安全性和稳定性。（2）减振性能好每种材料都有其自身所特有的自振频率，材料的自振频率与很多因素有关，这些因素包括材料的结构、材料的密度以及材料的模量等。当材料的自振频率与在外力作用下所产生的频率一样时，就会产生共振，导致材料的断裂或毁坏。复合材料的比模量通常都比较高，因此，复合材料的自振频率与其它材料相比也高出很多，在正常的外界作用下，复合材料不容易发生共振现象，具有较高的抗振性能。复合材料中的填充材料与复合材料的基体之间存在着大量的界面，这些界面对于因外界而产生的振动具有很好的吸收和反射作用，能够使振动快速的减弱和消失。（3）良好的过载安全性对于传统的单一材料，当外界的应力超过其极限承载力时，往往会瞬间产生破坏或断裂，无法继续使用。而对于复合材料，由于其内部填充了大量的增强材料，当外界的力达到其极限承载力时，内部较弱的增强材料先发生断裂，其余未断裂的增强材料则继续起到承载作用，所以，整个复合材料不会立即发生破坏。（4）耐腐蚀性和耐高温性一般的金属材料在空气中都会发生腐蚀，尤其是在潮湿的环境中，腐蚀会更加严重。为了保护设备上的这些金属构件，人们往往在金属构件的表面涂一层保护层，但从长期来看，这种方法还是不够理想。而复合材料则彻底克服了传统金属材料的这种缺陷，通过不同材料的相互复合，使制备的复合材料具有良好的耐腐蚀性能。通过往复合材料的基体中添加热稳定性比较高的增强材料，也可以制得耐高温的复合材料。6万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究1.3环氧树脂1.3.1环氧树脂发展简述环氧树脂是一种高聚物，其分子内通常包含一定数量的环氧基，在固化剂[35]和促进剂的作用下，环氧树脂会发生交联反应而形成三维网状聚合物。环氧树脂属于一种合成树脂，其发展速度非常快，到目前为止，已经形成了一系列的品种。二十世纪三十年代，人们就已经可以合成环氧树脂。前期由于技术条件有限，还未达到工业化水平。至二十世纪五十年代左右，环氧树脂的合成逐渐进入工业化时代。从二十世纪七十年代开始，随着人们对环氧树脂不断地研究，逐渐出现了一系列新的品种。环氧树脂因其优良的性能而被用作多种复合[36]材料的基体树脂，环氧树脂的固化物也被广泛的应用于各个领域的关键部门。1.3.2环氧树脂类型目前，市场上存在有各种各样的环氧树脂，按照原料的组分可以将其大致分为以下几类。（1）双酚A型环氧树脂双酚A型环氧树脂是由双酚化合物所制成的环氧树脂，包括双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂以及间苯二甲环氧树脂等。（2）非双酚型环氧树脂非双酚型环氧树脂是由环氧氯丙烷与多元功能基有机物通过缩合反应而制成的，这些多元功能基有机物包括多元醇、多元胺、多元酯、多元酸等。（3）缩水甘油酯类环氧树脂缩水甘油酯类环氧树脂的黏度比较低，而且还具有较高的反应活性。与其它类型的环氧树脂相比，缩水甘油酯类环氧树脂具有较大的粘结强度和优异的电性能以及耐候性。而且，缩水甘油酯类环氧树脂的固化物的力学性能也比其它类型的环氧树脂要好。（4）脂环族环氧树脂脂环族环氧树脂是由脂环烯烃和过氧化物通过过氧化反应所得到的，它是7万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究[37]一种脂环族环氧化合物。脂环族环氧树脂的环氧官能团是衔接在脂环上的，这一结构使其明显的区别于其它类型的环氧树脂。（5）脂肪族环氧树脂脂肪族环氧树脂是由脂肪烯烃和过氧化物通过环氧化反应所得到的，也是一种环氧化物，环氧化聚丁二烯树脂是其典型代表。（6）有机硅环氧树脂聚硅氧烷中的活泼氢跟环氧丙烷丙烯醚反应之后会得到一种树脂，此种树脂是一种线型的，它是有机硅氧烷树脂的一种。这种树脂具有许多优良的性能，可以在较高的温度下进行使用。以纤维作为增强材料而制得的复合材料在剪切强度、弯曲强度等方面都有很大的提高。（7）胺基环氧树脂胺基环氧树脂又包括四官能团胺基环氧树脂和对氨基苯酚环氧树脂，此种树脂是缩水甘油胺的一种，是由环氧氯丙烷和胺的化合物经过缩合反应所得到的。胺基环氧树脂经常被用作纤维缠绕成型复合材料的树脂基体，应用范围较为广泛。1.3.3环氧树脂特性环氧树脂具有下列性能和特点。（1）形式多种多样跟其它品种的树脂相比，环氧树脂的类别要丰富许多，而且性能各不相同。环氧树脂具有一系列种类繁多的固化剂，通过往环氧树脂中加入不同的固化剂，可以得到不同的环氧体系。除此之外，通过往环氧树脂中加入促进剂、改性剂等其它助剂，也可以得到多种多样的环氧固化物。（2）良好的力学性能环氧树脂拥有非常致密的分子结构，因此，其内聚力比较大。（3）优异的粘结性能环氧树脂固化物之所以拥有很高的粘结强度是因为在环氧固化系统中存有数量巨大的极性官能团，这些极性官能团包括环氧基、醚键、酯键、羟基等。由于这些极性基团的活性都非常大，所以使环氧树脂固化物具有非常高的粘结8万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究性能。而环氧树脂本身所具有的高内聚力也是其粘结性能良好的原因之一。（4）较低的收缩率环氧树脂在固化过程中没有水分或其它产物放出，其固化收缩率小于2%，低于其它类型热固性树脂的固化收缩率。环氧树脂固化产物具有较为稳定的尺寸，而且其内应力特别小，所以不易产生裂纹。（5）工艺性能好环氧树脂具有多种多样的配方，而且其成型方法并不复杂，可以制备出满足不同使用要求的构件。（6）化学稳定性好环氧树脂固化物具有许多优良的性能，而其大部分性能均与所使用的环氧树脂和固化剂有关，这其中就包括环氧树脂固化物的化学稳定性。物质的化学稳定性一般包括耐酸碱性能和耐溶剂性能，通过环氧树脂与其固化剂的合理搭配，可以制备出具有优异化学稳定性的环氧树脂固化物。而且，与其它类型的热固性树脂相比，环氧树脂固化物的化学稳定性要高出许多。（7）优良的电绝缘性环氧树脂具有杰出的介电性能，其介电性能普遍高于其它类型的热固性树脂，在不同的温度区间和不同的频率区间都能够表现出很好的性能。（8）良好的尺寸稳定性能环氧树脂固化物具有较高的强度和较小的固化收缩率，并且其热稳定性和化学稳定性均比较高，因此，环氧树脂固化物可以在长期使用的条件下保持一定的尺寸。1.3.4环氧树脂的用途环氧树脂的链状分子上存在许多特殊的官能团，这些官能团包括羟基、氧原子等基团，由于这些特殊官能团的存在，使环氧树脂具有非常好的粘结性能。环氧树脂固化物的耐热性能优良，可以在较高的温度下进行使用，使用范围十分广泛。随着胶黏剂行业的不断发展，近年来，环氧树脂胶黏剂也得到了前所未有的应用。环氧树脂胶黏剂的优点：①具有广泛的应用面和非常强的适应性；②粘结时不需要很高的压力；③系统中不存在挥发性物质；④在固化过程当中9万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究具有非常小的收缩率；⑤介电性能较好，化学稳定性和耐酸碱性良好；⑥具有很好的抗疲劳性能和较小的蠕变性。环氧树脂可以通过多种成型方法进行成型，随着其制备工艺的不断提高，其应用形式和应用领域也变得越来越宽。（1）用作涂料。在陆地交通、土木建筑、船舶、家电等行业内，环氧树脂可以用作设备及构件的涂料，起到一定的装饰及保护作用。（2）用作胶黏剂。在飞机、汽车、光学机械、电子电器、铁道车辆、土木建筑等领域，环氧树脂可以对机体、车身或其它构件进行粘结组装，保证设备的整体性。（3）用作FRP。在飞机、电子电器、体育用品等领域，环氧树脂具有十分广泛的应用。（4）用作成型材料。在电器、工具等领域，环氧树脂不仅可以作为绝缘材料，也可以制成各种各样的工具。1.4空心玻璃微珠1.4.1空心玻璃微珠简述空心玻璃微珠是一种空心玻璃球体，它是通过特别的加工方法而制成的，[38][39]其粒径非常小，粒径范围一般为10μm～120μm，壁的厚度一般为几微米，[40]其主要的化学成分为硼硅酸盐，是无机非金属材料的一种。空心玻璃微珠因33其特殊的构造而具有较小的密度，其密度一般为0.2g/cm～0.6g/cm，质量非常轻。另外，空心玻璃微珠还具有一系列与众不同的特点，比如抗压强度高、[41]导热率低、熔点高、隔音效果好、电阻率高、高分散性、热收缩系数小等。空心玻璃微珠起源于二十世纪五、六十年代，最早是由美国的Emerson&[42]Cuming公司生产并推广。随着科学技术的进一步发展，进入二十一世纪，空心玻璃微珠得到了空前的发展，其应用领域也遍布各行各业，在航空航天、涂料、固体浮力材料等领域已经开始了大范围的应用。毕特华博士于二十世纪七十年代初期就已经提出了一种获得空心玻璃微珠[43]的方法，此方法为将微珠从粉煤灰中进行分离，所得到的微珠又被称为漂珠。由于其来源丰富，并且价格比较低廉，早期的空心玻璃微珠大部分是通过这种[44]方法得到的。与人造的空心玻璃微珠相比，漂珠的价格虽然较低，但是其密度却比较高，在某些应用领域的使用会有所限制。比如，在深潜固体浮力材料10万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究[45]方面，其对空心玻璃微珠的要求为低密度、高强度，然而上述方法所得到的漂珠显然不能完全达到这样的要求。随着我国对海洋的开发以及深潜技术的逐步推进，迫切需求能满足深潜应[46]用的低密度、高强度空心玻璃微珠。国内的一些高校机构和科研院所投入大量的人力、物力和财力对空心玻璃微珠进行深度的研究，利用不同的配方和工[47]艺参数来调节空心玻璃微珠的各种性能。近几年来，国内研究人员在空心玻璃微珠方面的探索已然获得了不小的建树。但是与国外相比，我国在空心玻璃微珠的制备技术方面还不够成熟。不仅生产成本较高，而且空心玻璃微珠的性能也存在较大的缺陷。当下，空心玻璃微珠的产品工艺及市场被国外的几家大型公司所垄断，比如美国的3M公司，其所生产的空心玻璃微珠种类多样，在[48]较低密度的情况下依然能够保持较高的强度，在实际使用过程中完全可以达到要求。1.4.2空心玻璃微珠特性空心玻璃微珠具有以下几种特性。（1）成分较单一。空心玻璃微珠的主要成分为碱石灰硅酸盐，原料丰富且比较容易获得。（2）无特殊颜色。空心玻璃微珠的颜色为纯白色，在各种严苛的条件下都不会发生颜色的改变。（3）体积较大、密度较小。空心玻璃微珠的密度非常低，常用的空心玻璃33微珠的堆积密度一般为0.08g/cm～0.64g/cm，将其作为复合材料的填充物可以显著地减小复合材料的密度。在环氧树脂基复合材料中，通过填充体积较大的空心玻璃微珠能够减少环氧体系的使用量，从而使复合材料的生产成本大大的降低。（4）良好的亲油性。空心玻璃微珠表面具有良好的亲油性，因此，当其作为树脂基复合材料的填料时，其基体树脂的选择范围非常广。（5）优异的流动性能和高分散性。由于空心玻璃微珠本身是一种圆球体，而且其质量非常轻，因此空心玻璃微珠具有非常好的流动性能。即使在黏度较大的树脂体系中，其流动性也非常好，能够在树脂中均匀的分散开来，不会发11万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究生团聚现象。这种性能的优势就是其所制备的复合材料质地均一，使用性能稳定。（6）吸水、吸油率低。空心玻璃微珠具有极低的吸水率，因此，可用来制备涉水材料和绝缘材料。在制备树脂基复合材料的过程当中，较低的吸油率可以降低基体树脂的使用量，减小生产成本。（7）优良的隔音、绝缘以及隔热效果。空心玻璃微珠的球形腔内填充的是一些气体，因此其天然是一种优良的隔热、隔音的材料。在温度发生急剧变化的情况下，依然能够保持其良好的性能。绝缘效果就更加不必赘言，其成分已经决定了空心玻璃微珠具有极佳的绝缘性能。1.4.3空心玻璃微珠用途空心玻璃微珠因其良好的物理、化学性能，被众多行业视为不可多得的生[49]产原料之一。（1）用于制备复合材料。空心玻璃微珠的密度低、强度高，是制备复合材[50]料的首选原料之一。尤其是在树脂基复合材料当中，空心玻璃微珠的使用已经较为成熟。用于深海资源勘测与开采的新型浮力材料就是利用空心玻璃微珠[51]填充树脂而制备的一种树脂基复合材料，其使用条件的恶劣性要求其应该具备较高的耐压强度以及耐腐蚀性。用空心玻璃微珠作为填充材料所得到的树脂基复合材料恰好可以适应深海环境，其所拥有的优良性能使其成为深海开发的[52]关键材料。（2）用于塑料、橡胶的填充剂。高分子材料当中添加空心玻璃微珠，可以有效地提高材料的流动性，优化其加工过程，而且还可以使高分子材料的耐磨[53]性和强度大大改善。比如，在尼龙-6中添加空心玻璃微珠，不仅增强了尼龙-6的力学性能，并且减缓了其老化的过程。空心玻璃微珠本身的耐高温性能也会使塑料、橡胶的耐热性大大提高，提高其在高温环境下的使用性能。（3）用作乳化炸药的敏化剂。乳化炸药在使用的过程中，经常需要一种用来改善密度的试剂来调节其性能，膨胀珍珠岩以及化学发泡剂是惯用的对乳化炸药的密度进行调节的两种试剂。然而，这两种调节剂各有其不尽如人意的地方。比如添加了化学发泡剂的乳化炸药，不能长时间存放，而且其密度也不方12万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究便进行掌控。添加了膨胀珍珠岩调节剂的乳化炸药同样不能进行长时间的存放，而且炸药的威力比较小，容易受到其它因素的制约。空心玻璃微珠则能够完全克服上述两种调节剂的这些不足，不仅可以长时间的进行存放，而且具有较大威力的爆破性能。（4）用作油漆、涂料的添加剂。在油漆、涂料的使用过程中，人们通常往其中加入一定量的空心玻璃微珠，利用其优良的性能，以降低其它原料的使用量，达到降低成本的目的。空心玻璃微珠具有十分强的耐腐蚀性，可以有效的反射太阳光线，将其加入到涂料中后，可以使涂料具备一系列优良的性能，比如防化学腐蚀性能、防污性能、对紫外线有较强的抵抗性能等。空心玻璃微珠的球形腔内存在着一些低气压气体，因此，其本身就是一种优异的隔热材料。将其应用到涂料中后，会大大提高涂料的保温性能。由于空心玻璃微珠是一种[54]微米级的球体材料，具有十分好的流动性，可以在很大程度上提高涂料的流动性能，即使在低温条件下也能够很好的进行涂覆。大部分涂料层在温度的交替变化下会产生裂纹甚至发生掉落，若在其中添加空心玻璃微珠，可以有效地改善其抵抗温度变化的能力，增强其使用稳定性。（5）在人造大理石制品中的应用。在人造大理石的制备过程中，经常添加空心微珠，通过这种方法不仅仅使大理石产品变得更轻，而且还能增加其美观性。（6）在油气钻井中的应用。在油气钻井过程中，井下的地质环境十分复杂，这就对钻井液提出了较高的要求。通过往普通钻井液中加入一定量的空心玻璃微珠，可以降低钻井液的密度，使其具有更好的润滑性能，可以加快机器的运转，不仅能够提高工作效率，而且还可以保证钻头的正常运转。空心玻璃微珠[55]的化学性能非常稳定，不会对环境造成不可恢复的污染。添加空心玻璃微珠的钻井液非常稳定，可以进行重复利用。（7）在人造木中的应用。在家具、雕塑、装饰品的生产过程中通常会用到人造木，但是在长时间的使用过程中，无法保证其产品的使用质量。通过往人造木中加入空心玻璃微珠，不仅可以使制品的密度大大减小，而且还能保证其产品在使用周期内不会产生较大的质量问题。对于面积比较大而且厚度比较薄的板状型材，普通的填充材料存在着许多缺陷，比如由于流动性问题会使制备13万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究[56]的板材厚薄不均。在流动性方面，空心玻璃微珠比普通的填充物料要好，所制备的板材不仅厚薄均匀，而且更容易进行加工，不会在加工过程中产生裂纹。1.5深海用固体浮力材料1.5.1固体浮力材料简介通常来讲，浮力材料是可以提供浮力的一类材料的总称，一般密度比较小，[57]而且耐海水腐蚀性比较好。传统浮力材料的强度通常都比较小，难以承受深[58]海中的强大压力，因此，无法在深海中使用。深海用固体浮力材料不仅密度低，而且具有较高的耐压强度，可以承受强大的深海压力，在使用过程中的吸[59]水率较小，可以保证在深海中使用的稳定性和安全性。固体浮力材料的配方多种多样，利用不同的配方，可以制备出不同密度和强度的浮力材料，适用于[60]不同的水深环境。固体浮力材料的在制备的过程中不受模具的限制，而且其[61]成品可以进行任意的切割，具有良好的加工性能。由于固体浮力材料所具有的一系列优异性能，其已经成为了深海资源勘测及开采的最关键材料之一，受到人们越来越多的关注和重视。1.5.2固体浮力材料的分类宏观的角度进行分析，固体浮力材料是一种具有许多优点的固态物，这些优点包括密度低、强度高、吸水率小等。而从微观的角度进行分析，固体浮力材料的内部含有许多微小的孔洞。[62]目前，海洋用固体浮力材料大体上可以分为以下几类。（1）聚氨酯泡沫材料。聚氨酯泡沫材料所制备的浮力材料的生产成本比较[63]低，但是其耐压强度不高，只能在水深不超过100m的范围内使用。而且，[64-65]聚氨酯泡沫材料的吸水性比较大，在使用的过程中，需要在其表面覆盖一[66-67]层保护层，使其避免与水进行直接接触。（2）共聚物泡沫材料。共聚物泡沫材料与聚氨酯泡沫材料相比，不需要在其表面包覆一层隔水材料。共聚物泡沫材料内部的孔洞是封闭的，而且比较坚硬，因此可以在水中承受一定的静水压力。虽然共聚物泡沫材料可以在较深的14万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究水中进行作业，但若长时间在较大压力的水下使用时，会产生塑性蠕变，体积也会因此而变小，导致其浮力大大下降。因此，共聚物泡沫材料不适合在水下长时间使用，其最大的使用深度也不能超过600m。（3）复合泡沫材料。复合泡沫材料与上述两种泡沫材料相比，具有非常明显的优势。复合泡沫材料可以同时满足对固体浮力材料低密度、高强度的要求，而且，其吸水率特别小，基本上不会发生蠕变，是一种新型的高性能固体浮力[68]材料。复合泡沫材料的低密度与本章第四节所提到的空心玻璃微珠有很大的关系，将空心玻璃微珠作为复合泡沫材料的填充材料，不仅可以大大的减小其密度，而且还能够保证较高的强度，使其在深海较高的压力环境中为设备提供足够的浮力。（4）合成复合泡沫材料。上述这种方法所生产的材料的密度有一定的限制，[69]要想使材料的密度继续减小，就需要在基体树脂中添加体积更大的空心球。这些体积较大的空心球与空心玻璃微珠有所不同，其材质是纤维，一般强度都比较大。将这种纤维空心球与空心玻璃微珠和基体树脂进行复合，可以制备出33密度更低的复合材料，其密度范围大约为0.275g/cm～0.560g/cm。1.5.3深海用固体浮力材料的发展现状及展望[70]潜水器、水下机器人是深海资源勘测、开采所必不可少的仪器设备，但这些设备本身往往具有较大的重量，倘若再加上其它设备的配重，不仅操作困[71-72]难，而且其安全性也无法保证。利用轻质高强固体浮力材料，可以提高潜水设备的浮力，加大设备的载荷，并且还可以减小潜水设备的尺寸，在海洋开[73]发事业中发挥了至关重要的作用。（1）国外发展情况国外在很早之前就已经开始了对深海用固体浮力材料的研究与开发，美国、英国、俄罗斯、日本等经济技术比较发达的国家在二十世纪六十年代已经生产[74]出用作深海资源开采的固体浮力材料。美国率先制备了两种高性能的固体浮3力材料，一种密度为0.35g/cm，耐压强度是5.5MPa，可在水下500m左右进[75]行正常作业；另一种是可用于较大水深的固体浮力材料，其密度为330.45g/cm～0.48g/cm，耐压强度可以达到25MPa，能够在水下2400m左右范15万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究[76]围进行使用。近年来，美国在深海用固体浮力材料方面又取得了举世瞩目的成绩。美国Emerson&Cuming公司制备了可在水下7000m进行作业的固体浮3力材料，其密度为0.561g/cm。伍兹霍尔海洋研究所则制备出海底11000m用3固体浮力材料，密度仅为0.62g/cm。俄罗斯和日本也相继研制出可用于深海[77]领域的高性能固体浮力材料。（2）国内发展情况我国的深海用固体浮力材料事业相比较于西方发达国家而言起步比较晚，[78]在技术方面还有不小的差距。二十世纪八十年代，哈尔滨船舶工程学院和航天部673所相继展开对深海用固体浮力材料的研究与开发，但无法掌握空心玻[79]璃微珠的制备技术，只能大量从国外进口，成本较高，而且所制备的固体浮力材料难以适应深海的复杂环境。二十世纪九十年代，海洋化工研究院制备了3密度为0.33g/cm的固体浮力材料，压缩强度达到5MPa，可以在水下500m左右进行作业。本世纪以来，国内固体浮力材料的研究与开发工作取得了较快的发展。2006年，成功研制出可用于水下1000m的材料，压缩强度高达35MPa。3目前，我国已经有能力生产一系列深海用固体浮力材料，密度为0.35g/cm～3[80]0.56g/cm，压缩强度为8MPa～66.8MPa，应用水深为2000m～7000m。虽然我国在固体浮力材料方面已经取得了不错的成就，但与一些发达国家相比较，还是有较大的差距，尤其是应用于水下一万米左右的固体浮力材料，还是需要依靠从国外进口。我们所生活的地球上拥有广阔的海洋和海底资源，人类的生存离不开这些丰富的资源。对海洋及海底资源的开采不仅仅关乎某个国家的利益，而且关乎整个人类的生存繁衍。人类对海洋的探索正在迅速的推进，深海用固体浮力材料必将得到更多的展现机会。同时，随着我国经济实力的逐步强大，我国的深海用固体浮力材料事业也一定会再创新的佳绩。1.6本文研究的主要目的、内容及意义随着传统陆地资源的逐渐枯竭以及人们对新能源需求量的不断增加，向海洋开发已经成为全世界的共识。在大洋深处蕴藏着储量丰富的矿物资源，但深海的复杂环境成为阻碍人们开发海洋的一道屏障。要想突破这道天然屏障，就必须大力发展深海用设备以及与之配套的深海用固体浮力材料。目前，深海用16万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究固体浮力材料一般是将环氧树脂作为基体，以空心玻璃微珠当作填充材料，从而得到低密度、高强度的环氧树脂基复合材料。深海的高压环境对这种复合材料的密度、耐压强度等力学性能提出了极高的要求，同时，如何保证材料整体性能的均一性也成为一个需要解决的现实问题。在空心玻璃微珠填充环氧树脂基复合材料的生产过程中，由于成型方法及填充材料的限制，会出现复合材料不同部位性能不均一的现象。本课题通过将两种不同粒径的微珠进行配比，利用液压注入成型和模压成型两种成型方法，制备了一系列复合材料。通过对复合材料不同部位性能的测试，找出产生性能不均一的原因及改进措施。实验过程大致如下：（1）将两种不同粒径的微珠按照体积分数进行七种不同的配比，利用液压注入成型方法将其制成七种不同组分的复合材料，将复合材料分成上、中、下三部分，分别对其密度、压缩强度、吸水率、强度保留率进行测试，探索微珠配比对复合材料性能及其均一性的影响。（2）按照相同的微珠配比设计，利用模压成型法制备了一系列不同组分的复合材料，通过相同的测试方法对其性能进行测试，研究微珠配比对材料性能及其均一性的影响。（3）通过对比两种成型方法所制备材料的性能，找出两种成型方法的优缺点。深海用固体浮力材料在深海探索及开发过程中发挥着至关重要的作用，因此，研究深海用固体浮力材料的性能及其均一性对深海开发工作的正常进行以及相关设备的安全使用具有十分重要的意义。17万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究第二章液压注入成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究2.1引言液压注入成型是将液体物料在一定压力的作用下注入到封闭模具内的一种成型方法，这种成型方法适合制备形状比较复杂、对尺寸精确性有较高要求的产品。2.2实验部分2.2.1实验主要原料及设备液压注入成型实验所用到的主要实验原料及仪器设备见表2-1和表2-2。表2-1主要实验原料Table2-1Mainexperimentalmaterials名称分子式生产厂家3，4-环氧环己基甲基C14H20O4江苏泰特尔化工有限公司3，4-环氧环己基甲酸酯十二烯基琥珀酸酐C16H26O3南京古田化工有限公司甲基四氢苯酐C9H10O3河南省濮阳惠成化工有限公司N,N-二甲基苄胺C9H13N国药集团化学试剂有限公司KH-560CH2OCHCH2O(CH2)3南京旭杨化工有限公司Si(OCH3)3空心玻璃微珠(K20、—美国3M公司HGS8000X)DH-8023A—青岛德慧精细化工有限公司18万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究表2-2主要仪器设备Table2-2Mainexperimentalequipment名称型号、规格生产厂家万能试验机TY8000江都市天源实验机械有限公司TM精密切割机GTQ5000莱州市蔚仪实验器械制造有限公司电热鼓风干燥箱101-1AB天津市泰斯特仪器有限公司电子天平FA2004A上海精天电子仪器有限公司振动试验机RT-50A圳市瑞达辉电子有限公司扫描电子显微镜JMS-840日本电子公司模具—实验室自制真空搅拌器2BE1淄博沃尔德真空泵厂气液增压泵M100WL济南赛思特流体系统设备有限公司水压试验装置SUP-HD-12000济南思明特科技有限公司2.2.2实验过程2.2.2.1实验流程及说明19万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究图2-1液压注入成型实验流程图Figure2-1Theexperimentalprocessofinjectionmolding（1）模具及装料过程液压注入成型环氧树脂基复合材料的制备所采用的模具为实验室自制的Φ160×130mm的圆筒形钢制模具。实验前将模具的下密封板安装好，并在模具的内腔均匀的涂抹一层脱模剂，并将其固定在振动试验机上。将一定量不同配比的空心玻璃微珠缓慢的加入到模具内，同时将振动试验机开启到一定的振动频率，一边往里加空心玻璃微珠一边进行振动，直至空心玻璃微珠振实，使其最大程度的达到紧密堆积。通过压力自适应装置将模具的上密封板缓慢的压至模具内空心玻璃微珠的上表面后，再稍加一定压力，防止模具内的空心玻璃微珠发生流动或重排。将装有空心玻璃微珠的模具固定在实验室自制的加压装置上，在空心玻璃微珠所能够承受的压力范围内，对模具的上密封板进一步施加压力。通过外加压力，确保模具内的空心玻璃微珠最大程度的接近其最紧密堆积状态，以防所制备的复合材料中出现微珠分布不均匀的情况，外加压力一般加至2MPa。（2）空心玻璃微珠的配比对以往制备的复合材料中空心玻璃微珠的填充率（空心玻璃微珠在复合材料中的体积分数）进行分析可知，当空心玻璃微珠的填充率为60%时，微珠与环氧树脂体系混合后所得到的物料具有最佳的成型性。因此，本实验是按照空心玻璃微珠的填充率为60%来设计的，具体的微珠用量按照脱模后复合材料的高度为10cm来计算。本实验所采用的是两种不同牌号的空心玻璃微珠，3分别为K20（密度0.19g/cm，抗压强度3.45MPa，球径D50：65μm，最大球径3120μm，纯白色）和HGS8000X（密度0.42g/cm，抗压强度55.2MPa，球径D50：26μm，最大球径55μm，纯白色），利用两种微珠较大的粒径差，按照不同的体积比将两种微珠进行搭配。粒径较大的K20在微珠总体积中所占的体积分数分别为0%、10%、20%、50%、80%、90%、100%，相对应的即可知道粒径较小的HGS8000X的体积分数。（3）环氧树脂体系的配制过程将一定量的环氧树脂、十二烯基琥珀酸酐、甲基四氢苯酐、KH-560和N，20万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究N-二甲基苄胺分别加入到一不锈钢圆桶内，搅拌均匀。环氧树脂及其固化剂的质量比是确定的，因此，本实验中所配制的环氧体系的密度也是确定的。将盛有环氧体系的不锈钢圆桶置于真空搅拌器内进行抽真空，时间为30min左右，直至环氧体系中的气泡完全排出，取出环氧体系备用。（4）液压注入过程液压注入的原理是通过气液增压泵将环氧树脂体系注入到模具内，在一定压力作用下，使环氧树脂体系逐渐将空心玻璃微珠之间的空隙填满。在注入过程中，注入速度是确定的。由于模具是不透明的，因此，当环氧树脂体系从模具上密封板的排气孔溢出时，即可判断此时模具内已充满环氧树脂。注入管卸下后，将注入孔堵住，此时，再对模具的上密封板施加一定的压力，即可进行固化。（5）固化过程将模具置于165℃的干燥箱内进行固化，固化时间为6h，固化完成后冷却、脱模。2.2.2.2性能测试方法（1）取样方法为了分析复合材料各部分性能的均一性，取样方法是沿着环氧体系的注入方向分上、中、下三层进行取样，取样方法如图2-2所示。图2-2试样取样方法Figure2-2Themethodofselectingsamples21万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究（2）制样过程用切割机将脱模后的复合材料平均切成上、中、下三部分，然后再将每一部分的复合材料切成尺寸为10×10×20mm的长方体试样，并做上详细标识。（3）密度测试过程利用阿基米德原理对试样进行密度的测试，为了减小实验误差，进行密度测试的试样采用的是体积较大的试样。（4）压缩强度测试过程利用万能试验机，按照GB/T2567-2008对复合材料试样进行单轴压缩强度的测试，加载速率为2mm/min。同样，为了减小实验误差，在复合材料的同一个位置取五个试样，进行平行实验，将五个试样的测试平均值作为最后的压缩强度值。（5）吸水率测试过程利用静水压装置模拟深海高压环境，对复合材料试样进行测试。测试之前，将复合材料试样的表面用水浸润，然后用干抹布擦干，用电子天平称量试样的初始质量为m0。将复合材料试样置于静水压装置内，将静水压力设置为20MPa，以一定的速度进行加压，达到所设置的压力后，保持24h。取出试样，用干抹布将复合材料试样表面的水擦拭干净，将试样置于电子天平上称重，测其质量为m1，复合材料试样吸水率=（m1-m0）×100%/m0。（6）保留强度测试过程保留强度是指复合材料在经受一定时间的静水压之后所留存的压缩强度，保留强度的测试方法与压缩强度的测试方法完全一样。（7）扫描电镜测试利用JMS-840型扫描电子显微镜对复合材料上、中、下三部分试样的横截面进行扫描。2.3实验结果分析与讨论2.3.1微珠配比对复合材料密度及其均一性的影响图2-3为复合材料上、中、下三部分的密度随空心微珠K20体积分数变化22万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究的曲线图，从图中可以看出，随着K20体积分数的增大，复合材料上、中、下三部分的密度迅速下降，其降低趋势基本一致。实验所用的空心微珠K20的密3度仅为0.19g/cm，因此，复合材料的密度随K20体积分数的增加会大幅度的下降。从图中还可以看出，对同一微珠配比的复合材料，其上、中、下三部分的密度有一定的差值，即复合材料从上到下的密度有一定程度的不均一性。而且，当K20体积分数发生变化时，复合材料上、中、下三部分密度的差值也会相应的改变。为了将这种不均一性的程度进行量化，我们求取了复合材料上、中、下三部分密度的方差，见图2-4，方差值越小，说明复合材料上、中、下三部分密度的均一性越好。由图2-4可知，随着空心微珠K20体积分数的增加，复合材料上、中、下三部分密度的方差先变小，后变大，在K20体积分数为80%附近时，方差值达到最小，曲线整体呈一“V”字形，而且其下降与上升的斜率绝对值几乎一致。对比曲线的两端可以发现，当K20体积分数为0%时（即单独使用HGS8000X），复合材料上、中、下三部分密度的方差远大于K20体积分数为100%时，这说明使用单一的空心微珠作为复合材料的填充物时，粒径较大的K20所制备的复合材料密度的均一性要好于粒径较小的HGS8000X所制备的复合材料。当往较小粒径的空心微珠中逐渐添加较大粒径的空心微珠时，复合材料上、中、下三部分密度的方差逐渐变小，说明由两种不同粒径的微珠混合所制备的复合材料，其密度的均一性优于单一微珠制备的材料。0.720.70TopMiddle0.68Bottom)30.66g/cm0.64(0.620.600.58Innerdensity0.560.540.520.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图2-3复合材料内部上、中、下的密度23万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究Figure2-3Theinnerdensityofdifferentpartsofthecomposite0.40)30.35*10(0.300.250.200.150.10Varianceofinnerdensity0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图2-4复合材料内部上、中、下密度的方差Figure2-4Thedensity’svarianceofdifferentpartsofthecomposite从图2-3中还可以发现，所有微珠配比的复合材料上、中、下三部分的密度分布均为从上到下依次增大，分析认为这与实验过程中环氧体系的注入方式有关。实验中环氧体系是从模具底部经加压而均匀注入模具内的，由于空心微珠之间的空隙很小，只有几微米，并且环氧体系本身具有一定的粘度，因此，在注入的过程中会产生较大的阻力，从而在模具内部从下往上形成一定的压力梯度，导致下部的压力大于上部的压力。从复合材料显微结构图（图2-14）中不难发现，复合材料上、中、下三部分环氧树脂的填充程度有所不同，下部的注入压力大，环氧填充的比较密实，材料上部因为注入压力较小导致密实程度不如下部。由于压力差的存在，使复合材料下部的密度大于上部的密度，这也是液压注入成型复合材料密度均一性较差的主要原因所在。以上测试结果所用的试样均为复合材料内部的试样，为了更全面的分析液压注入成型复合材料密度的均一性，实验选取了复合材料外部的试样进行了同样的测试，并将其测试结果与内部试样的测试结果进行对比。24万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究0.720.720.720.700.700.70InnerInnerInner0.68Outer0.68Outer0.68Outer)3))0.6630.6630.66g/cmg/cm(g/cm(0.64(0.640.640.620.620.620.600.600.600.580.580.58Densityoftop0.560.560.56DensityofmiddleDensityofbottom0.540.540.540.520.520.520.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheresK20volumefractionintotalglassmicrospheresK20volumefractionintotalglassmicrospheres图2-5复合材料上、中、下三层内部与外部的密度Figure2-5Thedensityofinnerandouterfromdifferentpartsofthecomposite图2-5为不同微珠配比的复合材料上、中、下三层试样的内部与外部的密度曲线，从图中可以看出，复合材料下层和中层的密度分布比较均一，其内部与外部的密度几乎一致，上层试样的密度均一性稍微差一些，主要表现为外部密度略大于内部密度。分析认为这与环氧体系的填充方式及模具结构有关，上层材料的内部靠近模具顶端中央的排气孔，复合材料内部环氧树脂的填充压力略小于四周的压力，因此导致外部试样的密度略大于内部试样的密度。2.3.2微珠配比对复合材料压缩强度及其均一性的影响图2-6是不同配比的空心微珠所制备的复合材料的单轴压缩强度曲线，由图可见，随着空心微珠K20体积分数的增加，复合材料的压缩强度迅速下降，这是因为实验所用的K20耐压强度较小，所以材料的压缩强度会大幅度的减小。与复合材料密度的分布相似，材料上、中、下三部分的压缩强度也表现出一定的差值。从压缩强度的方差图（图2-7）中可以看出，随着粒径较大的空心微珠K20体积分数的增加，复合材料上、中、下三部分压缩强度的方差值逐渐减小，即复合材料上、中、下三部分压缩强度的均一性逐渐变好，并且其变化趋势与密度方差的变化趋势大体一致。这说明粒径较大的K20含量越多，复合材料上、中、下三部分的压缩强度均一性越好。从复合材料的结构来分析，K20的粒径比较大，微珠与微珠之间的空隙也会较大，在环氧体系的注入过程中，不会对环氧体系形成很大的阻力，环氧树脂会比较均匀的填充到每个空隙中。而当粒径较小的HGS8000X含量较多时，由于微珠之间的空隙较小，会对环氧体系的注入形成较大的阻力，导致模具内部上、下的压力差较大。上部环氧的注入压力较小，致使微珠间一些极小的空隙无法完全填充环氧，因而导致材料结构的致密性不如下部的好。由此推断，采用液压注入法制备的复合材料，空心25万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究玻璃微珠的粒径越大，其压缩强度的均一性越好。10090TopMiddle80Bottom7060504030Innercompressivestrength/MPa200.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图2-6复合材料内部上、中、下层的压缩强度Figure2-6Thecompressivestrengthofdifferentpartsofthecomposite22020018016014012010080604020Varianceofinnercompressivestrength00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图2-7复合材料内部上、中、下压缩强度方差Figure2-7Thecompressivestrength’svarianceofdifferentpartsofthecomposite以上测试结果所用的试样同样为复合材料内部的试样，下面将复合材料外部试样的测试结果与内部试样的测试结果进行比较。图2-8为不同微珠配比的复合材料上、中、下三层试样的内部与外部的压缩强度对比图，从图中可以看26万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究出，位于同一层中的复合材料，其内部与外部的压缩强度曲线几乎完全重合，说明本实验所用的注入方法制备的复合材料在垂直于注入方向上具有较好的性能均一性。100Innertop90Innermiddle80InnerbottomOutertop70OutermiddleOuterbottom605040Compressivestrength/MPa30200.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图2-8复合材料上、中、下三层内部与外部的压缩强度Figure2-8Thecompressivestrengthofinnerandouterfromdifferentpartsofthecomposite2.3.3微珠配比对复合材料吸水率的影响为了探讨空心玻璃微珠的配比对复合材料吸水率及其均一性的影响，本实验选取了在20MPa静水压下保持24h后复合材料不同部位的试样进行测试。图2-9为不同微珠配比的复合材料内部上、中、下三部分试样的吸水率曲线，复合材料的吸水率与材料的耐压强度及内部结构存在密切的关系，如图所示，单独使用HGS8000X作为填充物时，复合材料的吸水率很小，在0.2%左右，而且其上、中、下三部分的吸水率相差无几，具有非常好的吸水率均一性。随着K20体积分数的增加，材料的吸水率逐渐增大，尤其是当K20的量占绝大多数或单独使用K20作为填料时，材料上部和中部的吸水率变的很大，并且沿着环氧的注入方向从下往上依次变大。整体来看，随着K20的体积分数的增加，复合材料的吸水率不但变大，其均一性也变得越来越差。分析认为，K20的耐压强度较低，在20MPa的静水压下，一些耐压强度较小或存在缺陷的空心微珠被破坏，形成开放的孔洞，从而导致了较大的吸水率。另外，模具内部空心微珠27万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究之间的接触方式为点对点接触，在环氧体系注入过程中，会对空心微珠的整体造成一定的挤压，耐压强度较小的微珠会被挤破而形成开放的空间。模具下部环氧体系的注入压力较大，可以将破碎微珠形成的空间填满，而上部由于环氧体系的填充压力较小，破碎微珠的碎片又占据了微珠之间狭小的空隙，使得环氧体系因阻力较大而无法完全填充，因而造成较大的吸水率。1211Top10Middle9Bottom87654321Innerwaterabsorpotion/%0-10.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图2-9复合材料内部上、中、下层的吸水率Figure2-9Thewaterabsorptionofdifferentpartsofthecomposite图2-10为不同配比的微珠制备的复合材料不同部位的吸水率曲线图，从图中可以看出，虽然随着K20体积分数的增加复合材料的吸水率及其均一性变得越来越差，但材料内部与外部的吸水率差别很小，即使单独采用K20作为轻质填料，复合材料内部与外部的吸水率也没有较大的差别，说明复合材料内部与外部的吸水率均一性是比较好的。固体浮力材料在水下装置上使用时，主要是发挥其提供浮力的作用，但随着下潜深度的增加，若复合材料吸水，则增加了复合材料的密度，减少了其提供的浮力。因此，这就要求浮力材料具有较高的耐静水压性能和较低的吸水率，防止出现浮力损失的现象。目前我国尚没有关于浮力材料的国家标准，行业内普遍参照的深海固体浮力材料的吸水率标准为2%。从图中可以看出，当K20的体积分数小于80%时，复合材料的吸水率均保持在2%以下，这对通过填充较大粒径的微珠来降低复合材料的密度而言具有一定的指导作用。28万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究1211Innertop10Innermiddle9Innerbottom8Outertop7Outermiddle6Outerbottom543Waterabsorption/%2100.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图2-10复合材料上、中、下层内部与外部的吸水率Figure2-10Thewaterabsorptionofinnerandouterfromdifferentpartsofthecomposite2.3.4微珠配比对复合材料保留强度的影响固体浮力材料要在深水环境下反复的进行使用，所以复合材料在经过使用吸水之后，其压缩强度的保留程度对深潜设备的安全使用具有重要的意义。将不同玻璃微珠配比的复合材料在20MPa的静水压力下保持24h后测量其压缩强度，分析其压缩强度的保留率，分析结果如图2-11所示。从图中可以看出，随着玻璃微珠K20体积分数的增加，复合材料的压缩强度保留率下降的速率也迅速增大，这与实验的静水压力及复合材料的吸水率有关。对比复合材料的吸水率曲线（图2-10）分析可知，当复合材料的吸水率小于2%时，材料的压缩强度保留率均在96%以上，说明当吸水率控制在一个较小范围内时，复合材料的压缩强度仍然保持较好，不会出现较大的损失。29万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究1.000.980.960.940.920.900.880.86Top0.84Middle0.82BottomCompressivestrengthretentionrate0.800.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图2-11复合材料上、中、下层压缩强度的保留率Figure2-11Thecompressivestrengthretentionrateofdifferentpartsofthecomposite2.3.5微珠配比与环氧体系临界压力面的关系在实验过程中还发现，复合材料固化成型脱模后，在材料的中部附近存在一个与注入方向垂直的界面，这个界面将复合材料大致分成颜色不同的上、下两部分，上面的颜色较浅，下面的颜色较深，如图2-12所示。从前面的分析可知，由于空心玻璃微珠之间的空隙很小，环氧体系在注入的过程中会受到较大的阻力，只有当环氧体系的注入压力大于其所受到的阻力时，环氧体系才会不断地进行注入，我们将这个压力称为临界压力。为了使环氧体系填满空心微珠之间的空隙，就需要不断地对环氧体系施加压力，因此，在模具内部从下往上就会形成一定的压力梯度，下面的压力总是大于临界压力。环氧体系是从模具底部均匀的注入，因此，在垂直于注入方向上就会形成一个临界压力面，随着环氧体系的不断注入，临界压力面也随之上升。当环氧体系注入完成后，由于注入压力的消失，临界压力面就会固定在某个特定位置，由于模具内部上、下两部分环氧体系填充的密实程度不同，因此固化成型后就会在复合材料的某个位置形成一个临界压力面。临界压力面之下的复合材料由于环氧填充比较密实而呈现出较深的颜色，临界压力面之上的材料因环氧填充的密实程度不如下部而呈现出较浅的颜色。30万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究图2-12环氧临界压力面试样图Figure2-12Thecriticalpressureleveloftheepoxyresin从图2-12中还可以发现，不同微珠配比的复合材料，其临界压力面的相对位置也有所不同。图2-13为液压注入成型复合材料临界压力面的相对高度随微珠配比的变化曲线图，从图中可以看出，随着K20体积分数的增加，复合材料临界压力面的相对高度逐渐变小，当K20体积分数达到80%左右时，材料临界压力面的相对高度最小，随着K20体积分数的继续增加，复合材料临界压力面的相对高度又开始变大。由此推断，当由粒径较小的HGS8000X作为填充材料时，空心微珠之间的空隙较小，环氧体系的注入阻力相对比较大，环氧体系在模具内部扩散较为缓慢，从而导致临界压力面相对较高；当往粒径较小的HGS8000X中不断添加粒径较大的K20时，微珠之间会形成越来越多较大的空隙，环氧体系的注入阻力变得越来越小，在微珠空隙之间能够比较容易的进行扩散，因而临界压力面的相对高度较小。从图中还可以看出，当单独使用K20作为轻质填料时，复合材料临界压力面的相对高度不但没有减小反而增大，推断原因与K20本身较低的耐压强度有关。在密度均一性的分析中我们提到，环氧体系注入的过程中会对空心微珠整体形成一定的挤压，由于K20的耐压强度较低，并且微珠之间点对点的接触方式容易形成应力集中，极有可能使一些耐压强度小或存在缺陷的微珠发生破碎，K20含量越多，破碎微珠的数量就越大。这些微珠的碎片堵塞了相邻微珠之间的空隙，增大了环氧体系的注入阻力，从而导致临界压力面的相对高度变大。由此可见，利用液压注入成型法制备复合材料对空心玻璃微珠的耐压强度具有较高的要求。31万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究1.00.90.80.70.60.50.40.3Heightofcomposite0.2Heightofcriticalpressurelevel/0.10.00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图2-13复合材料临界压力面的相对高度Figure2-13Therelativeheightoftheepoxyresin’scriticalpressurelevel2.3.6复合材料显微结构分析图2-14为液压注入成型法所制备的复合材料的扫描电镜照片，从图中可以看出，当K20体积分数为0%（即单独使用HGS8000X）时，复合材料下部的密实程度明显好于上部，沿着环氧体系的注入方向，复合材料表现出较大的不均一性。当K20的体积分数为100%时，复合材料上部与下部的密实程度相差不大，当K20体积分数为80%时，复合材料上部与下部的密实程度几乎相当。结合前面对复合材料密度、压缩强度及临界压力面的分析可知，环氧体系在注入过程中的压力梯度导致固化后复合材料的密实程度不同，从而使复合材料上、中、下三部分密度、压缩强度的均一性表现出较大的差别。32万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究图2-14不同配比玻璃微珠制备的复合材料剖面的SEM照片（图中百分数为K20占玻璃微珠体积分数）Figure2-14Thecomposite’sSEMpicturesofdifferentvolumefractionofglassmicrospheres(thepercentagerepresentsthevolumefractionofK20)2.4本章小结本章采用确定的环氧体系和两种粒径不同的空心玻璃微珠K20与HGS8000X，利用液压注入成型法制备了不同微珠配比的复合材料，将复合材料沿着其成型时的加压方向平均分成上、中、下三部分，对每个部分试样的密度、压缩强度、吸水率、强度保留率分别进行测试计算，分析了材料整体的性能均一性以及空心微珠的配比对复合材料的性能及其均一性的影响，得到以下几个结论。（1）利用液压注入成型法制备复合材料时，两种不同粒径的空心玻璃微珠以一定的比例进行混合，可以提高复合材料密度、压缩强度的均一性。（2）使用单一尺寸的微珠作为填充物时，粒径较大的微珠制备的复合材料，其密度的均一性较好。33万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究（3）在相同的静水压条件下，空心玻璃微珠的耐压强度越大，复合材料的吸水率越小，强度保留率也越好；当复合材料的吸水率小于2%时，液压注入法所制备的复合材料的强度保留率均在96%以上，具有较好的强度稳定性。（4）采用液压注入成型法制备复合材料时，对空心玻璃微珠的耐压强度具有较高的要求。34万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究第三章模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究3.1引言本文第二章液压注入成型法所制备的复合材料性能均一性较差，会对材料的使用性能产生一定的影响。本章所采用的制备方法为模压成型法，它是一种操作比较简单的成型方法，先将物料搅拌均匀，预热到一定的温度，然后加入到模具内，封闭模具，最后固化成型。3.2实验部分3.2.1实验主要原料及设备模压成型实验所用到的主要实验原料及仪器设备见表3-1和表3-2。表3-1主要实验原料Table3-1Mainexperimentalmaterials名称分子式生产厂家3，4-环氧环己基甲基C14H20O4江苏泰特尔化工有限公司3，4-环氧环己基甲酸酯十二烯基琥珀酸酐C16H26O3南京古田化工有限公司甲基四氢苯酐C9H10O3河南省濮阳惠成化工有限公司N,N-二甲基苄胺C9H13N国药集团化学试剂有限公司KH-560CH2OCHCH2O(CH2)3Si(南京旭杨化工有限公司OCH3)3空心玻璃微珠(K20、—美国3M公司HGS8000X)DH-8023A—青岛德慧精细化工有限公司表3-2主要仪器设备Table3-2Mainexperimentalequipment35万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究名称型号、规格生产厂家万能试验机TY800O江都市天源实验机械有限公司TM精密切割机GTQ5000莱州市蔚仪实验器械制造有限公司电热鼓风干燥箱101-1AB天津市泰斯特仪器有限公司电子天平FA2004A上海精天电子仪器有限公司振动试验机RT-50A圳市瑞达辉电子有限公司扫描电子显微镜JMS-840日本电子公司模具—实验室自制真空搅拌器2BE1淄博沃尔德真空泵厂水压试验装置SUP-HD-12000济南思明特有限公司扫描电子显微镜JMS-840日本电子公司3.2.2实验过程3.2.2.1实验流程及说明图3-1模压成型实验流程图Figure3-1Theexperimentalprocessofcompressionmolding36万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究（1）模具及处理过程模压成型复合材料所采用的模具为实验室自制的Φ160×130mm的圆筒形不锈钢模具，实验前将模具的下密封板安装好，在模具的内腔均匀的涂抹一层脱模剂，将模具置于80℃的干燥箱中预热，备用。（2）混料过程将一定量的环氧树脂、十二烯基琥珀酸酐、甲基四氢苯酐、KH-560和N,N-二甲基苄胺分别加入到一不锈钢圆桶内，搅拌均匀。然后往不锈钢桶内缓慢加入不同体积比的空心玻璃微珠，搅拌至微珠被环氧树脂体系完全浸润。将不锈钢圆桶置于真空搅拌器内进行真空搅拌，搅拌速率为400r/min，时间为30min左右，直至混合物料中的气泡完全排出，取出备用。本部分实验也是按照空心玻璃微珠的填充率为60%来设计的，具体的微珠用量按照脱模后复合材料的高度为10cm来计算，所采用的空心玻璃微珠为K20和HGS8000X。将两种粒径不同的微珠按照不同的体积比进行搭配，粒径较大的K20在微珠总体积中所占的比例分别为0%、10%、20%、50%、80%、90%、100%。（3）注模、固化过程将预热好的模具固定在振动仪上，然后将真空搅拌好的混合物料缓慢注入到模具内，一边注入一边振动，注入混合物料的量以冷却脱模后复合材料的高度是10cm为标准。振动的作用一是使混合物料完全将模具填充，二是使注模过程中混入的空气泡尽快排出。将模具安装好，在加压装置上将模具上密封板的压力加至2MPa，固定模具的压力自适应装置，将模具置于165℃的干燥箱内，固化时间为6h，冷却、脱模。3.2.2.2性能测试方法（1）取样方法取样方式是沿着加压方向分上、中、下三层进行取样，取样方法如图3-2所示。37万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究图3-2试样取样方法Figure3-2Themethodofselectingsamples（2）制样过程用精密切割机将复合材料切成尺寸为10×10×20mm的长方体试样。（3）密度测试过程利用阿基米德原理对试样进行密度的测试，为了减小实验误差，进行密度测试的试样采用的是体积较大的试样。（4）轴向压缩强度测试过程利用万能试验机，按照GB/T2567-2008对复合材料试样进行压缩强度的测试，加载速率为2mm/min。同样，为了减小实验误差，复合材料的同一个位置取五个试样，进行平行实验，取五个试样的测试平均值作为最后的压缩强度值。（5）吸水率测试过程利用静水压装置模拟深海高压环境，对复合材料不同部位的试样进行测试。为了更加全面的测试复合材料的耐静水压强度和吸水率，在本部分实验过程中，将静水压装置的压力范围设置为5MPa～100MPa，每个压力值的保压时间均为24h，分别测试复合材料试样的耐静水压强度和吸水率。（6）保留强度测试过程保留强度是指复合材料试样在经受一定时间的静水压之后还剩余的压缩强度，保留强度的测试方法与压缩强度的测试方法完全一样。（7）扫描电镜测试利用JMS-840型扫描电子显微镜对复合材料上、中、下三部分试样的横截面进行扫描。38万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究3.3实验结果分析与讨论3.3.1微珠配比对复合材料密度及其均一性的影响对单独采用空心玻璃微珠K20或HGS8000X所制备的复合材料计算分析，复合材料中空心玻璃微珠的填充率均为61%左右。于是，假设将两种不同直径的空心玻璃微珠按照不同的体积比混合后所制备的复合材料中空心微珠的填充率均为61%，则混合空心微珠所制备的复合材料的密度为：0.61V(1V)0.39KKKHe上式中，ρ为复合材料的密度，即理论密度，VK为K20在空心玻璃微珠总体积中所占的百分数，ρK、ρH分别为空心微珠K20和HGS8000X的密度，ρe3为环氧体系的密度，本实验所用环氧体系的密度为1.1g/cm。0.720.70Actualdensity0.68Theoreticaldensity)30.660.640.620.60Density(g/cm0.580.560.540.520.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图3-3复合材料密度与微珠配比的关系Figure3-3Therelationbetweencomposite’sdensityandvolumefractionofglassmicrospheres取复合材料中部的试样进行密度的测试，将材料的理论密度与其实际密度随空心微珠K20体积分数的变化做成曲线，如图3-3所示。从图中可以看出，复合材料的密度随着空心微珠K20体积分数的增加而降低，其降低趋势与理论密度的降低趋势一致。从图中还可以发现，单独采用K20或HGS8000X所制备39万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究的复合材料的实际密度与理论密度比较接近，而采用混合微珠所制备的复合材料的实际密度均不同程度的低于理论密度。计算发现，采用不同配比的混合微珠制备的复合材料，其实际密度比理论密度降低了1.5%～3%。对不同微珠配比的复合材料的微观显微结构图（图3-4）分析发现，当K20体积分数为0%（单独采用HGS8000X）或100%时，复合材料中空心玻璃微珠的粒径极差比较小，而当两种空心微珠进行不同程度的混合时，复合材料中明显的表现出大、小两级空心微珠混合堆积的现象。已知空心玻璃微珠HGS8000X的D50为26μm，K20的D50为65μm，因此，当两种不同粒径的空心微珠以一定的比例混合之后，其粒径分布必将形成以26μm和以65μm为中心的双峰分布形态。从晶体学的角度不难推断，这种具有双峰分布的颗粒形态可以使体系的堆积系数得到提高，堆积系数的提高使得混合空心微珠所制备的复合材料中微珠的实际体积分数得到了提高，从而有效的降低了复合材料的密度。图3-4不同配比玻璃微珠制备的复合材料剖面的SEM照片（图中百分数为K20占玻璃微珠体积分数）Figure3-4Thecomposite’sSEMpicturesofdifferentvolumefractionofglassmicrospheres(thepercentagerepresentsthevolumefractionofK20)40万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究空心玻璃微珠的配比不仅对复合材料整体的密度有一定的影响，而且对复合材料不同部位密度的均一性也有一定程度的影响。将复合材料沿着加压方向平均分成上、中、下三部分，不同部分的理论密度与测得材料的实际密度随K20体积分数的变化规律如图3-5所示。从图中可以看出，同一微珠配比的复合材料中，其上、中、下三部分的密度具有一定的差值，即复合材料上、中、下三部分的密度表现出一定程度的不均一性。随着空心微珠K20体积分数的变化，复合材料密度的不均一性也发生相应的变化。图3-6为不同微珠配比复合材料密度的方差图，从图中可以看出，随着K20体积分数的增加，方差值开始逐渐变小，并在某一点处达到最小值，当K20体积分数继续增加时，方差值又开始变大。说明，随着K20体积分数的逐渐增加，复合材料密度的均一性先变好，后变差，并且在中间某个值处均一性达到最好。可见，两种不同粒径的空心微珠混合所制备的复合材料，其密度均一性较单一空心微珠制备的复合材料好；而且，采用粒径较大的空心微珠K20制备的复合材料比粒径较小的HGS8000X制备的材料密度均一性好。0.72Top0.70Middle0.68Bottom)0.66Theoreticaldensity30.640.620.60Density(g/cm0.580.560.540.520.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图3-5复合材料上、中、下部的密度Figure3-5Thedensityanditsvarianceofdifferentpartsofthecomposite41万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究图3-6复合材料上、中、下三部分密度的方差Figure3-6Thedensity’svarianceofdifferentpartsofthecomposite3.3.2微珠配比对复合材料压缩强度及其均一性的影响图3-7是不同微珠配比复合材料的单轴压缩强度值，从图中可以看出，复合材料的压缩强度随着空心微珠K20体积分数的增加而降低，这是由于空心微珠K20本身的压缩强度较小所导致的。根据一般规律来判断，复合材料的压缩强度应该随玻璃微珠K20体积分数的增加而线性降低，但实际材料的压缩强度的下降趋势却呈一抛物线形，其变化趋势与实际材料密度的变化曲线相似。复合材料压缩强度的这一变化也与复合材料的结构密切相关，前面分析到，由于混合空心微珠所表现出的粒径双峰分布的特性，使得材料中空心微珠的堆积系数增加，从而使得材料的强度更多的取决于强度较低的空心微珠，导致混合空心微珠所制备的复合材料压缩强度下降的比较大。42万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究1008060Compressivestrength/MPa400.00.20.40.60.81.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图3-7微珠配比与复合材料压缩强度的关系Figure3-7Therelationbetweenthecomposite’scompressivestrengthandthevolumefractionofglassmicrospheres将不同微珠配比的复合材料在不同的静水压力下保持24h后测量其压缩强度，结果如图3-8所示。从图中可以看出，随着空心微珠K20体积分数的增加，复合材料强度保留率的下降速率也加快，这与实验的静水压力及复合材料的吸水率有关。对比复合材料的吸水率曲线（图3-11）分析可知，当复合材料的吸水率小于1%时，材料的压缩强度保留率在98%以上，当复合材料的吸水率小于2%时，材料压缩强度的保留率也保持在96%以上。43万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究1.000.950%0.9010%20%50%0.8580%90%ompressivestrengthretentionrateC100%0.800102030405060708090100Hydrostaticpressure/MPa图3-8复合材料在不同静水压力下的强度保留率Figure3-8Thecompressivestrengthretentionrateofthecompositeindifferenthydrostaticpressure图3-9是两种不同粒径的空心玻璃微珠K20和HGS8000X按照不同的体积配比所制备的复合材料上、中、下三部分的压缩强度曲线图，从图中可以看出，与复合材料的密度相似，同一微珠配比的复合材料，其上、中、下三部分的压缩强度也表现出一定程度的不同，即材料不同部位的压缩强度也存在一定程度的不均一性。压缩强度的方差分析结果如图3-10所示，从中可以看出，曲线两端的方差值均大于中间的方差值，尤其是单独采用粒径较小的HGS8000X所制备的复合材料，其方差值远大于其它复合材料。除此之外，其它微珠配比的复合材料上、中、下三部分的压缩强度方差均比较小，说明除了单独采用粒径较小的HGS8000X所制备的复合材料外，其余配比的复合材料的压缩强度均一性均较好。44万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究100Top90MiddleBottom80706050Compressivestrength/MPa40300.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图3-9复合材料上、中、下部的压缩强度及其方差Figure3-9Thecompressionstrengthanditsvarianceofdifferentpartsofthecomposite3.53.02.52.01.51.00.5Varianceofcompressivestrength0.00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图3-10复合材料上、中、下三部分复合材料压缩强度的方差Figure3-10Thecompressivestrength’svarianceofdifferentpartsofthecomposite3.3.3复合材料的耐静水压性能及吸水率图3-11是采用不同微珠配比制备的浮力材料在不同静水压下保持24h的吸水率变化曲线图。从图中可以看出，随着空心微珠K20体积分数的增加，混合45万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究微珠所制备的复合材料的耐静水压性能逐渐下降。当空心微珠K20的体积分数小于10%时，复合材料的吸水率基本保持不变，吸水率数值在0.2%以下，相应的复合材料能够承受100MPa以上的静水压力。当空心微珠K20的体积分数增加到20%时，在85MPa的静水压力下，复合材料的吸水率仍然能够保持在2%以下。随着K20体积分数的继续增加，复合材料的耐静水压性能不断地下降，当空心微珠K20的体积分数为50%～100%时，在2%的吸水率情况下，复合材料的耐静水压力值仍在23MPa～50MPa之间。所以，根据对固体浮力材料性能的需求不同，可以通过空心玻璃微珠的配比来调节固体浮力材料的性能，以实现复合材料的最优设计。1090%10%820%750%680%90%5100%43waterabsorption/%2100102030405060708090100Hydrostaticpressure/MPa图3-11复合材料在不同静水压强下的吸水率Figure3-11Thewaterabsorptionofthecompositeindifferenthydrostaticpressure3.3.4复合材料显微结构分析复合材料的性能取决于复合材料的组成与结构，本实验采用了确定的环氧体系和确定的空心玻璃微珠，所以，复合材料的性能主要取决于复合材料的结构。对复合材料试样横截面的显微结构分析结果发现，在空心微珠配比确定的情况下，复合材料上、中、下三部分的显微结构没有明显的区别，说明模压注46万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究入成型法所制备的复合材料具有较好的均一性。而当微珠配比发生变化时，复合材料中空心微珠粒径的分布发生了显著的变化。取空心微珠K20体积分数分别为0%、50%和100%的三种材料上、中、下层的试样作为典型的显微结构，如图3-12。从图中可以看出，三种不同的微珠配比所制备的复合材料均具有良好的结构致密性，除空心玻璃微珠所营造的空间外，其它地方几乎没有明显的空隙。空心微珠K20体积分数为0%的复合材料中，最小的微珠直径为10μm左右，而最大微珠直径也仅有35μm左右；空心微珠K20体积分数为100%的复合材料中，最小微珠直径约为20μm，而最大微珠直径接近100μm左右；空心微珠K20体积分数为50%的复合材料中，微珠的直径从10μm到100μm左右分布。从以上分析可以推断，对于同一微珠配比的复合材料试样，其上、中、下三层的密度和压缩强度产生不均一性的主要原因应该是材料固化过程中压力分布的不均匀。在复合材料固化过程中，压力分布不均匀导致材料上、中、下三层所产生的残余应力不同。当复合材料脱模时，在不同应力的作用下，材料所产生的回弹程度不同，从而造成材料产生较小的性能偏差。当采用粒径较大的空心微珠不同程度地替换粒径较小的空心微珠时，复合材料实际密度的降低与理论计算的结果有一定的偏离，其主要原因是不同粒径空心微珠的复合导致微珠的粒径分布发生了变化。从图3-12中不难看出，当两种不同粒径的空心玻璃微珠混合时，微珠的粒径集中分布在约以26μm为中心和以65μm为中心的两个范围内，呈现出典型的双峰分布形态，这种分布使空心微珠的堆积密度得到了较大的提高。复合材料内部空心微珠堆积系数的分析结果如图3-13所示，混合微珠的堆积系数明显高于单一微珠的堆积系数。由于微珠堆积系数的提高，使混合微珠制备的复合材料密度低于理论计算的密度。所以，采用不同直径的空心玻璃微珠混合制备复合材料是降低复合材料密度的一种有效手段，空心微珠的堆积系数越高，复合材料的性能均一性也越好。47万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究图3-12复合材料不同部位的SEM照片Figure3-12SEMimagesofdifferentpartsofthecomposite0.6500.6450.6400.6350.6300.6250.6200.615Accumulationcoefficient0.6100.6050.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图3-13复合材料内部微珠的堆积系数Figure3-13TheHGM’saccumulationcoefficientofthecomposite3.3.5复合材料的配比及性能从以上分析中可以确定，当采用本实验所选定的环氧体系，采用空心玻璃微珠K20和HGS8000X为轻质填充物的情况下，利用模压成型法可以获得适用于不同深度的固体浮力材料，其材料的最优配比和性能见表3-3。48万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究表3-3复合材料的配比及性能Table3-3ThepropertiesandHGM’svolumefractionofthecompositeK20/HGS8000X/Vol0:10010:9020:8050:5080:2090:10100:03密度/g/cm0.6880.6570.6450.6020.5620.5520.542抗压强度/MPa100.286.776.656.241.537.334.4耐静水压力/MPa>100>1008550302623（24h吸水率2%）抗压强度保留率/%98989695.8969896（耐静水压力下）使用深度/m110001000080004500300025002000相应吸水率/%<1<1<1<1.5<2<2<23.4本章小结本章采用确定的环氧体系和两种粒径不同的空心玻璃微珠K20与HGS8000X，利用模压成型法制备了不同微珠配比的复合材料，将复合材料沿着加压方向平均分成上、中、下三部分，对每个部分试样的密度、压缩强度、吸水率、强度保留率进行测试计算，分析整块材料的性能均一性以及空心微珠的配比对复合材料的性能及其均一性的影响，得到以下几个结论。（1）由两种不同粒径的空心玻璃微珠以一定的比例进行混合不仅可以提高复合材料中微珠的堆积系数，而且复合材料密度、压缩强度的均一性优于单一组分微珠制备的材料。（2）在不影响吸水率的情况下，采用低密度的空心玻璃微珠部分取代高密度空心玻璃微珠是降低复合材料密度的有效手段之一，当取代的体积分数小于20%时，复合材料的吸水率仍然能够达到使用要求。（3）模压成型法制备复合材料时，将两种不同粒径的空心玻璃微珠进行不3同的配比，可以制备密度为0.542～0.688g/cm，压缩强度为34.4～100.2MPa的复合材料，分别适用于2000～11000m的深水环境。49万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究第四章不同成型方法对复合材料性能影响的对比本实验所采用的原料及其配比是固定的，由于两种成型方法的成型工艺不同，因此制备的复合材料的密度、压缩强度、吸水率等性能也存在一定程度的差别。4.1成型方法对复合材料密度及其均一性的影响图4-1为液压注入成型和模压成型两种方法所制备复合材料上、中、下密度方差的对比图，从图中可以看出，在微珠配比相同的情况下，模压成型法制备的复合材料密度的均一性明显好于液压注入成型法。当空心微珠的配比发生变化时，模压成型法所制备的复合材料，其密度均一性保持较好，较液压注入成型法而言，模压成型法所制备的复合材料具有更好的密度均一性。4035Compressionmolding)Injectionmolding530252015105Varianceofdensity(*1000.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图4-1两种成型方法制备的复合材料的密度方差Figure4-1Thedensity’svarianceofthecompositepreparedbytwokindsofmoldingmethod图4-2为采用两种成型方法所制备的不同微珠配比的复合材料密度曲线，从图中可以较为明显的看出，模压成型法制备的复合材料的密度较低，小于液压注入法所制备复合材料中、下部的密度，结合上述密度方差的分析可知，模50万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究压成型法所制备的复合材料，其密度的整体性能优于液压注入法制备的复合材料。0.720.70TopofinjectionmoldingMiddleofinjectionmolding0.68Bottomofinjectionmolding0.66Compressionmolding)30.64g/cm(0.620.60Density0.580.560.540.520.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图4-2两种成型方法制备的复合材料的密度Figure4-2Thedensityofthecompositepreparedbytwokindsofmoldingmethod4.2成型方法对复合材料压缩强度及其均一性的影响图4-3为两种成型方法所制备的复合材料上、中、下三部分压缩强度方差的对比图，由图可知，与液压注入成型法相比，模压成型法所制备的复合材料压缩强度的方差值几乎为零，并且当微珠配比发生改变时，其压缩强度的方差值没有发生明显的变化。分析表明模压成型法所制备的复合材料，其上、中、下三部分的压缩强度均一性很好，可认为复合材料各部分的压缩强度基本一致。51万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究220200180CompressionmoldingInjectionmolding16014012010080604020Varianceofcompressivestrength00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图4-3两种成型方法制备的复合材料的压缩强度方差Figure4-3Thecompressivestrength’svarianceofthecompositepreparedbytwokindsofmoldingmethod图4-4为液压注入成型和模压成型法所制备的不同微珠配比的复合材料压缩强度曲线图，由图可知，与液压注入成型法所制材料的中、上部相比，模压成型法所制材料的压缩强度较高，与液压注入成型的下部材料强度相当。综合压缩强度的均一性分析可知，模压成型法所制备的复合材料在压缩强度的大小及均一性方面均优于液压注入成型法所制备的复合材料。100Topofinjectionmolding90MiddleofinjectionmoldingBottomofinjectionmolding80Compressionmolding70605040Compressivestrength/MPa30200.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres52万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究图4-4两种成型方法制备的复合材料的压缩强度Figure4-4Thecompressivestrengthofthecompositepreparedbytwokindsofmoldingmethod4.3成型方法对复合材料吸水率的影响图4-5为在20MPa静水压下保持24h后液压注入成型和模压成型法所制备的不同微珠配比的复合材料吸水率曲线，从图中可以看出，模压成型法所制备的复合材料的吸水率很小，均在1%以下，而液压注入成型法所制备的复合材料只有下部试样的吸水率保持在1%以内，当K20的体积分数达到80%以上时，材料中、上部的吸水率均已超过2%。分析表明，采用模压成型法所制备的复合材料的吸水率好于液压注入法所制备的复合材料。109TopofinjectionmoldingMiddleofinjectionmolding8Bottomofinjectionmolding7Compressionmolding65432Waterabsorption/%100.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图4-5两种成型方法制备的复合材料的吸水率Figure4-5Thewaterabsorptionofthecompositepreparedbytwokindsofmoldingmethod4.4成型方法对复合材料压缩强度保留率的影响图4-6为液压注入成型和模压成型法所制备的不同微珠配比的复合材料在20MPa静水压下保持24h后的压缩强度保留率曲线图，从图中可以看出，模压成型法所制备的复合材料的压缩强度保留率均在98%以上，具有非常好的强度稳定性。而液压注入成型法所制备的材料只有下部试样的强度保留率保持在53万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究98%以内，当K20的体积分数达到80%以上时，材料中、上部的强度保留率均低于96%。分析表明，在相同的静水压环境下，采用模压成型法所制备的复合材料的强度稳定性好于液压注入法所制备的复合材料。1.000.980.960.940.920.90Topofinjectionmolding0.88Middleofinjectionmolding0.86BottomofinjectionmoldingCompressionmolding0.84Compressivestrengthretentionrate0.820.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0K20volumefractionintotalglassmicrospheres图4-6两种成型方法制备的复合材料压缩强度保留率Figure4-6Thecompressivestrengthretentionrateofthecompositepreparedbytwokindsofmoldingmethod4.5本章小结通过对比液压注入成型和模压成型两种成型方法对复合材料密度、压缩强度、吸水率及强度保留率的影响，可以得出以下几个结论。（1）采用模压成型法所制备的复合材料，其密度、压缩强度的均一性明显优于液压注入成型法所制备的复合材料，在微珠配比相同的情况下，模压成型法可以获得较低的密度和较高的压缩强度。（2）在20MPa静水压下保持24h后，模压成型法所制备的不同微珠配比复合材料的吸水率均在1%以下，压缩强度保留率均高于98%，与液压注入成型法相比，表现出更好的使用性能。（3）液压注入成型过程中，空心玻璃微珠的点对点接触方式使微珠的受力比较集中，在注入环氧体系的过程中容易使低强度的微珠发生破碎，因此对空54万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究心玻璃微珠的耐压强度要求较高，而模压成型过程中，由于空心玻璃微珠被环氧体系均匀包覆，在注入及加压过程中，空心微珠受力均匀，不容易发生破裂，可以更好的避免因微珠破坏而导致复合材料性能的下降。55万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究第五章结论3本文采用两种不同牌号的空心玻璃微珠K20（密度0.19g/cm，抗压强度33.45MPa，球径D50：65μm，最大球径120μm）和HGS8000X（密度0.42g/cm，抗压强度55.2MPa，球径D50：26μm，最大球径55μm）作为轻质填充物，环氧体系为实验室自配，利用液压注入成型和模压成型两种成型方法制备了一系列不同微珠配比的复合材料试样。对复合材料不同部位的密度、压缩强度、吸水率及强度保留率分别进行了测试，并对其均一性作了详细的分析，探讨了微珠配比对复合材料性能及其均一性的影响。对两种不同成型方法所制备的复合材料性能进行对比，探讨了成型方法对复合材料性能的影响。通过上述分析，本文得出以下几个结论。（1）将两种不同粒径的空心玻璃微珠以一定的比例进行混合，可以提高复合材料密度、压缩强度的均一性，提高了复合材料中空心玻璃微珠的堆积系数，降低了复合材料的密度。（2）在不影响吸水率的情况下，采用低密度的空心玻璃微珠部分取代高密度空心玻璃微珠是降低复合材料密度的有效手段之一，当取代的体积分数小于20%时，复合材料的吸水率仍然能够达到使用要求。（3）在相同的静水压条件下，空心玻璃微珠的耐压强度越高，复合材料的吸水率越小，强度保留率也越好。（4）液压注入成型法制备复合材料对空心玻璃微珠的耐压强度具有较高的要求。（5）模压成型法所制备的复合材料具有良好的性能均一性，与液压注入成型法相比，在相同微珠配比的情况下可以获得较低的密度和较高的压缩强度，吸水率和强度保留率均比较好。（6）通过改变两种空心微珠的体积比，利用模压成型法可以制备出密度为30.542～0.688g/cm，压缩强度为34.4～100.2MPa的复合材料，使用水深范围为2000～11000m。56万方数据 液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究参考文献[1]黄发荣,周燕等.先进树脂基复合材料.北京:化学工业出版,2008.1[2]黄丽,陈晓红,宋怀河.聚合物复合材料.北京:中国轻工业出版社,2010[3]LiangNaixing.UntersuchungenuberMitElastomerenmodifyZiertezemente.Dissertation,TUclausthal,1991[4]王荣国,武卫莉,谷万里.复合材料概论.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004.9[5]陈先,周媛,卢伟.固体浮力材料.北京:化学工业出版,2011.5[6]桑恩方,庞永杰,卞红雨.德国1100米下作业机器人.机器人技术与应用,1996,5:22-26[7]陈先,张树华.新型深潜用固体浮力材料.化工新型材料,1999,27(7):15-26[8]俞鸿森,李启聪.固体浮力材料的设计与实验.船工科技,1986年增刊:253-256[9]周秋明,王建华,田春蓉等.空心玻璃微珠复合聚氨酯泡沫塑料的泡孔结构与性能.聚氨酯工业,2002,17(2):13-15[10]孙春宝,汪群慧,邢奕等.深海高强安全浮力材料的研制及其表征.哈尔滨工业大学学报,2006,38(11):2000-2002[11]H.D.Anderson.Lowdensitymaterialsforbuoyancyapplication.AD701159LMSC-D026046,1969.11[12]Grenier-LoustalotMF,CunhaLD,Stericallyhideredbismaleimidemonomer.Moltenstatereactivityandkiniticsofpolymerization[J].Eur.Polym.J.,1998,34(1):95-102[13]SuZ,BijenTM,LarbiTA.Theinfluenceofpolymermodificationonadihesionofcementpastestoaggregates,CemenandConcreteResearch,VOL,21,1991[14]卢子兴,袁应龙,芦艾等.复合泡沫塑料准静态压缩的应变率效应和温度效应.含能材料,2004,12(2):584-587[15]周媛,陈先,梁忠旭等.水下用轻质复合材料的研究进展.热固性树脂,2006,21(7):25-27[16]T.Hamada,T.Nishida,etal,J,Mat.Res.,Structureandphysicalpropertiesofcarbonfibersfromcoaltarmesophasepitch1987,2(6):850-857[17]蔡力锋,杨俊,林志勇.玻璃微珠填充聚合物复合材料界面.工程塑料应用,2003,31(03):66-69[18]H.S.Katzetal.Handbookoffillerandreinforcementsforplastics.VammpstramdReinholdCompany.NewYork:1978,281-295[19]曾汉民.高分子复合材料的进展:纤维增强树脂基复合材料(续)[J].材料工程,1989,(6):8-1257万方数据 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液压注入成型与模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究个人简历及在学期间发表的学术论文个人简历1986年9月22日出生于山东省平度市。2006年9月考入鲁东大学化学与材料科学学院高分子材料与工程专业，2010年6月本科毕业并获得工学学士学位。2011年9月考入中国海洋大学材料科学与工程研究院材料物理与化学专业攻读硕士学位至今。在学期间发表的学术论文[1]徐玉磊，戴金辉，吴平伟，刘文栋，刘青，展飞.模压成型环氧树脂基复合材料的制备及性能研究[J].材料科学，2014，4：36-4263万方数据