简要了解复合材料预浸料粘性的常见测试方法和主要设备

预浸料粘性测试是指测量用于制造复合材料结构的热固性复合预浸料的粘性。这些预浸料由一层薄薄的聚合物树脂(如环氧树脂)预浸的纤维增强材料组成。预浸料部分固化,使树脂在室温下成为粘性固体,这种状态称为B阶段。

通常,这种预浸料覆盖有保护膜,并在冷冻柜中成卷储存,以显著减缓树脂的进一步固化。随着预浸料继续固化,其表面粘性继续降低。因此,即使冷冻,复合预浸料通常也有有限的保质期。在制造复合材料结构时,粘性很重要,尤其是在使用自动预浸料铺层工艺,如自动纤维铺层(AFP)和自动胶带铺层(ATL)时。

预浸料粘性试验的测试结果可用于多种目的。首先,在材料选择过程中,测量的粘性可用于对候选预浸料进行定量比较,尤其是用于自动预浸料铺层操作。其次,粘结测试也可用作预浸料材料验收测试和生产过程中的质量控制。此外,预浸料的粘性会随着时间的推移而降低,但会随着温度和湿度的升高而增加。因此,影响层压主要有四个重要因素:压力、温度、湿度和冷冻时间,通过测试结果可用于调整固化工艺参数。

直到最近,还没有标准化的测试方法来测量预浸料的表面粘性。因此,人们通常会使用几种最初用于评估压敏粘合剂粘性的测试方法。其中一种称为滚球粘性试验的方法包括在斜坡顶部释放钢球,在斜坡上放置预浸料层,将球在停止前移动的距离用作预浸料粘性的比较度量。

此外,人们还使用了固定直径芯轴试验,在该试验中,预浸料样品被包裹在规定直径的金属圆柱体上并进行监测,以确定预浸料是否保持附着或脱离圆柱表面。基于探针的粘性试验使用拉伸试验机测量将预浸料层与平面圆柱形探针表面压在一起后分离所需的力。最后,也有使用了型剥离试验,将两层预浸料试样的自由端放入拉伸试验机的夹具中,并测量剥离各层所需的张力,从而剥离两层预浸料试样。

2021年,ASTM International根据诺丁汉大学Crosby等人开发的改进浮动辊剥离试验方法,对新的预浸料粘性试验ASTM D83362(图1)进行了标准化。

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该试验方法旨在表示复合材料行业目前使用的自动复合材料预浸料铺层工艺,如图2所示,可以测试柔性预浸料层与第二预浸料层(方法I)或刚性金属基板(方法II)之间的粘性。

在这两种方法中,预浸带宽75毫米,长至少215毫米。刚性基板通常为不锈钢板,宽度为80毫米,长度至少为140毫米。但在这两种方法中,一部分柔性预浸料层仍被保护膜覆盖,从而产生两个不同的试样区域以供测试。

包括两对相对的25毫米直径的滚柱,滚柱通过低摩擦轴承连接到夹具主体上。前一对滚轮对准并支撑预浸料试样。后一辊对预浸料试样进行压实,模拟铺层过程。压紧力由安装在下部压紧辊端部的两个弹簧施加。可通过旋转将压紧弹簧顶部连接至夹具主体的两个顶升螺钉来调整压紧力的大小。试验夹具连接到通用试验机的底座上,机械虎钳夹具连接到夹具上方的称重传感器上。

测试前,需要进行校准将顶升螺钉的转数与施加的压紧力联系起来。通过将L形钢支架安装到上把手中,并将支架的短法兰直接定位在压紧辊下方,来执行校准(图3)。两个顶升螺钉以相同的转数递增拧紧,由此产生的力由称重传感器测量,最大为100牛顿。这会绘制一条校准曲线,将顶升螺钉的转数与产生的压实力联系起来。

为了进行试验,将组装好的预浸料试样插入两组相对的滚轮之间的试验夹具中,延长长度的预浸料层位于顶部。预浸料层在弹簧压紧机周围向上变形,并插入上把手。当试验机的上部十字头升高时,会发生连续的压实和剥离过程,因为预浸料被压路机压在基材上,然后随着试样基材通过试验夹具水平平移而剥离。

在试样的两个区域记录产生的力和十字头位移。在第一个区域,预浸料被保护膜覆盖(图1),仅由于预浸料层的摩擦和弯曲刚度而产生的力减小。在没有保护膜的试样第二区域,测得的力还包括预浸料层与第二预浸料层或金属基底之间的剥离阻力,具体取决于试样类型。剥离力通过从第二区域获得的平均力减去从第一区域获得的平均力来获得。该剥离力用于测量两个预浸料层之间(方法I)或预浸料层与基材之间(方法II)的粘性,也可在环境室内进行试验,以确定温度和湿度对预浸料粘结的影响。

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