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复合材料内纤维及树脂质量分数与体积分数的测试与计算方法

嘉峪检测网        2024-01-11 08:55

明确复合材料中增强纤维和树脂基体的含量是很重要的,因为两者的含量在很大程度上决定了复合材料的性能。

复合材料的纤维和树脂含量的测定是在去除树脂之前和之后通过多次称重操作来完成的,而去除树脂最简单的方法是把它烧掉,比如在玻璃纤维增强复合材料可以经常使用该方法。
 
测定纤维含量的方法如下:取一小块复合材料在干和湿态下称重。称重是在材料浸入水中时进行的,这可以计算复合材料块的体积;然后将复合材料块放置在具有气体出口的熔炉中加热。高温热处理会烧掉树脂,但不会烧掉纤维,随后对纤维进行称重。对于聚酯或环氧树脂基复合材料,在大约550ºC下焚烧几个小时通常足以将材料还原为清洁纤维(下图)。
 
 
对复合材料各组分密度的假设越多,该方法提供的纤维含量信息就越多。当然,纤维含量可以不用假设,而是通过将焚烧后的纤维重量除以复合材料的重量来确定:
 
 
其中:FWF为纤维重量分数;mf为干纤维的质量(树脂焚烧后);mc为复合材料的质量(焚烧前)
 
纤维体积含量分数则可通过如下公式计算:
 
 
其中:FVF为纤维体积分数;Vf为干态纤维的体积(焚烧树脂后);Vc为复合材料的体积(焚烧前)
 
在计算上述纤维体积含量时,需要知道复合材料块的体积Vc。这可以通过在已知密度的液体(通常是水)中进行湿法称重过程来确定。由于水的密度随温度而变化,因此在称重过程中也会测量温度。体积Vc 可以采用如下公式进行计算:
 
 
其中:mc,w为复合材料在水中的重量;pw为水的密度(取决于温度)
 
 
纤维的体积则主要取决于质量和密度:
 
 
其中,mf为干纤维的质量(树脂焚烧后);pf为纤维的密度。截至目前,人们普遍认为在纤维增强树脂基复合材料只由增强纤维和树脂基体两部分组成。然而,实际上它还包含其他成分,例如空气夹杂物(空隙),这几乎是不可避免。换成计算公式,则如下所示:
 
Vc = Vf + Vm +Vv
 
其中Vm 为树脂基体的体积;Vv为复合材料内空气夹杂物的体积
 
这个公式也可以修改为:VvVc -(Vf +Vm
 
因此,树脂的体积由原始复合材料和纤维的质量之间的差异以及树脂的假定密度决定。
 
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来源:碳纤维及其复合材料技术