文摘

Polyester-based复合材料充满了各种内容的铝(Al₂O₃)(即。,0, 1, 5, and 10 vol%) have been fabricated in this study. Physical and mechanical properties of the composites have also been analysed. The analysis results showed that the experimental density of the polyester/alumina composites was smaller than the theoretical density, which could be attributed to the formation of voids during preparation of the composites. Meanwhile, the tensile strength, stiffness, and hardness of the composites increased with increasing alumina content, while the strain-at-break of the composites decreased. It was observed that the composites containing 5 vol% of alumina had the best tensile strength, stiffness, and hardness. The uniform distribution and dispersion of alumina particles were likely responsible for the improvement of the mechanical properties. In other hand, small decrease in tensile strength, stiffness, and hardness of composite was found in the composites with 10 vol% of alumina. The formation of agglomerates and voids was believed to be the main factor for the decrease of the both properties.

1。介绍

最近,聚合物复合材料包含金属氧化物颗粒或金属有很大的潜力来取代传统材料由于其重量轻以及良好的机械、物理和化学性质1- - - - - -4]。市场上有许多著名的聚合物,可以用作复合材料制造、矩阵,其中一个是不饱和聚酯树脂。不饱和聚酯树脂具有良好的加工性能,低成本、低密度,和良好的耐化学性5,6]。分为热固性树脂的树脂被广泛用作各种矩阵应用,如在汽车、水管道、建筑施工等。7,8]。虽然树脂有许多优点,仍有一些局限性的树脂,应该认真考虑,如刚度和强度较低,耐冲击低、抗裂纹扩展(9),如果与其他热固性树脂相比,限制其使用在高性能应用程序(10]。

为了改善这些缺点,已经进行了很多尝试,比如通过加入纤维(11,12和填料13,14)到聚合物基体。据报道,陶瓷颗粒的加入到聚合物基质已经成功地提高了强度和硬度的聚合物复合材料在室温和高温下1]。在这项研究中,被选为氧化铝填料添加到不饱和聚酯基复合材料。氧化铝粒子是一个著名的陶瓷材料与成本低、无毒、稳定、惰性、高腐蚀、耐高温(15,16]。结合聚酯作为矩阵和氧化铝填料吸引了研究者的兴趣,这是一个有趣的主题进行研究。因此,本研究的主要目的是探讨氧化铝塞尺增强聚酯复合材料的物理力学性质。

2。材料和方法

2.1。材料

不饱和聚酯树脂和铝(Al₂O₃)塞尺的纯度为99%被用作原材料生产聚酯/铝复合材料。聚酯和氧化铝的属性表1。

2.2。制备的复合材料

复合材料的样本准备直接混合法。几个氧化铝(即内容。,0%, 1%, 5%, and 10 vol%) were blended with the unsaturated polyester. Initially, alumina particles with particle size of less than 10μ米被添加到不饱和聚酯树脂,然后与机械混合分散剂15分钟达到均匀分散。过氧化甲乙酮作为引发剂的固化过程。固化剂的化学计量值(引发剂)被添加到混合在环境温度和混合在一起通过机械搅拌器60分钟。之后,最后的混合物注入特殊的设计和加工不锈钢模具,然后紧接着固化过程。模具的准备采集标本后24小时,然后通过执行物理特征,拉伸和硬度测试。图1显示了复合材料制造步骤的流程图,而详细的名称和成分的标本在表2。

2.3。x射线衍射(XRD)分析

广角x射线衍射(XRD)分析标本进行使用Schimadzu XRD - 7000机40 kV和30 mA。x射线衍射仪是过滤铜Kα1.5°的辐射2θ范围的10°- 90°的步骤0.02°和扫描速度2°/分钟。

2.4。物理性质分析

这项工作中使用的复合材料标本是由两个成分,即。、矩阵和塞尺。复合材料的理论密度很容易混合方程的计算规则(17]: 在哪里 , ,和复合材料的密度,表示矩阵,和填料,分别,而和分别代表矩阵和填料的体积分数。此外,实验密度( )综合实验可以确定的水浸法(18),复合材料试样的重量准确使用分析天平,然后浸在水里。标本在浸没在水中的重量测量,和样品的体积是来自水的位移。同时,孔隙的体积分数之间的复合材料可以通过比较计算使用以下方程理论密度的实验密度(19,20.]: 在哪里是孔隙的体积分数;和分别是理论密度和实验密度。形成的空隙通常是由于空气被困在复合材料在制造过程中,这可能会影响复合材料的力学性能。

2.5。机械性能测试

骨头形状的拉伸试样准备根据ASTM D638标准。室温拉伸试验进行了英斯特朗5984使用万能试验机(UTM)的应变率1 x10⁻⁴所有标本/ s,而硬度试验是检查使用维氏显微硬度测试仪。硬度测量进行了负载下的1公斤15秒的时间。数据2(一个)和2 (b)显示的照片复合材料试样拉伸试验和拉伸试验设置后,分别。

2.6。扫描电子显微镜(SEM)观察

扫描电子显微镜(SEM), JEOL地产- 7600 f,是用于研究形态和微观结构的复合材料拉伸试验之前和之后。进行了SEM分析在20千伏的电压。微观结构研究前拉伸试验、复合材料样品低温断裂(cryofractured)首先在液氮浸泡样品。做是为了避免矩阵在断裂变形,从而也在骨折(保持创意样品的微观结构形态21,22]。拉伸试验后的微观结构研究(tensile-fractured),没有进行特殊处理。SEM分析之前,cryofractured和tensile-fractured复合材料样品的表面涂上一层薄薄的黄金,以防止静电充电,确保更好的图像分辨率在观察。

3所示。结果与讨论

3.1。x射线衍射(XRD)分析

图3(一个)演示了氧化铝粒子的XRD衍射峰用作填料在这项研究中,而图3 (b)礼物的x射线衍射模式的聚酯和聚酯复合材料包含不同氧化铝含量。见图3 (b),至少有四个强氧化铝峰出现的2 -θ36.7°,38.9°,45.2°,66.8°的复合标本。这些氧化铝山峰是依照以前的工作调查Rozita等(23]。一般来说,氧化铝的山峰也成为更强的提高氧化铝的内容(见图3 (b))。此外,添加氧化铝填充聚酯矩阵显示峰的消失和证实的结晶峰复合标本。此外,它还可以看到,样品添加10卷%氧化铝的最高峰氧化铝与他人相比。

3.2。物理性质

图4显示了理论和实验的情节聚酯/铝复合材料的密度。事实上,理论和实验之间的差别密度明显观察到图4中,复合材料的实验密度低于他们的理论密度。这可能归因于空洞的形成在复合材料的制造。自制造复合材料并不是在真空环境下进行,因此创建空洞的可能性非常高。因此,重要的是要计算的百分比空洞形成的复合材料准备,因为他们的存在会显著影响复合材料的性质。

此外,图5显示了聚酯/铝复合材料的孔隙率。正如图中所看到的,空洞的内容相对随着氧化铝含量的增加而增加。形成空洞的原因可以归因于聚酯之间的成键特性矩阵和氧化铝填料。

未经处理的比较研究和治疗氧化铝粒子在聚酯复合材料在其他文献[24]。他们报告说,未经处理的聚酯复合材料增强氧化铝表面润湿能力较低与穷人键/粘附强度if与聚酯增强氧化铝不过治疗相比,增加氧化铝添加为聚酯矩阵和聚酯的表面润湿能力减弱,因为它增加了粘度(11]。因此,氧化铝/聚酯粘附强度不足导致有效表面积氧化铝的减少,这可能导致空洞的形成。这种现象也可能是由于聚合物矩阵的混合时间不足与氧化铝填料在混合过程中,导致复合材料的孔隙的形成。

3.3。扫描电子显微镜(SEM)分析

研究了该复合材料的形态使用扫描电子显微镜(SEM)。图6显示cryofractured表面的SEM显微图的聚酯纤维及其复合材料。图6(一)显示了整洁的微结构聚酯树脂显示白色链地区作为典型的聚合物树脂,而图6 (b)显示了聚酯/铝复合材料与5卷%的氧化铝。在图中可以看到,microalumina粒子均匀分布和分散在整个矩阵。另一方面,在复合材料的扫描电镜显微照片10卷%的氧化铝(见图6 (c)一些聚集(黄色箭头所示)被观察到。这可能是可能是由于高浓度氧化铝添加到聚酯矩阵。此外,团聚体的形成通常是发生在混合微粒在高粘性材料,他们倾向于对高力量的凝聚的吸引力。

3.4。机械性能

聚酯/铝复合材料的力学性能特点是英斯特朗5984使用一个万能试验机(UTM)。整洁的聚酯纤维及其复合材料的应力-应变曲线产生的拉伸试验在图所示7。从这个图中,应力-应变曲线得到了复合材料的力学性能和列在表中3。最重要的力学性能之一是抗拉强度。外部压力需要破坏样品,确定应力-应变曲线的峰值。基于应力-应变曲线在图7和数据表3,复合材料的抗拉强度随着氧化铝含量的增加而增加。增强复合材料的拉伸强度比的整洁的聚酯(即。,16。25MPa) was 30.77, 93.85, 84;52 % for the composites with 1, 5, and 10 vol% of alumina, respectively. As noticed, the highest tensile strength (i.e., approx. 32 MPa) was the composites with 5 vol% of alumina, which was possibly attributed to the more uniform distribution of the fillers. Higher than 5 vol% alumina content, the tensile strength of the composite decreased again, as shown with 10 vol% of alumina (approx. 30 MPa).

在文献的基础上,均匀分布的填充剂在聚酯复合材料的微观结构复合材料的力学性能提高的主要因素(25,26]。因此,复合材料的抗拉强度下降10卷%氧化铝可以与团聚体的存在有关,可用性空洞等缺陷,也分散不匀的填料27]。人们认为集聚内填充物聚酯矩阵(见图6 (c))可能是负责复合材料的拉伸强度的下降。在聚合物/填料复合材料体系中,当填料的城市群发生时,它会导致不均匀分布,从而削弱填料和聚合物之间的相互作用矩阵。因此,这减少了复合材料的力学性能28,29日]。众所周知,聚集在复合材料中作为弱点,导致不良的材料特性(30.]。

另一个力学性能,即。,strain-at-break, was also analysed. As observed in Figure7和表3的strain-at-break复合材料随氧化铝含量增加而降低。众所周知,伸长或strain-at-break抗拉强度成反比,这意味着增加材料的抗拉强度通常会导致减少伸长或strain-at-break。此外,由于氧化铝是硬粒子,所得到的复合材料也将有更高的刚度值比矩阵(31日]。刚性或弹性模量作为初始应力-应变曲线的斜率。见图7,所有复合材料样品的曲线的斜率是高于整洁的聚酯和氧化铝含量的增加而增加。大幅改善复合材料的弹性模量显然是观察表3。增强复合材料的弹性模量和刚度比的整洁的聚酯(即。,716。25MPa) was 71.05, 196.29, and 214.4 % for the composites with 1, 5, and 10 vol% of alumina, respectively.

此外,图8显示了复合材料的硬度值作为氧化铝含量的函数。硬度是材料的抗局部/塑料诽谤。如图8和表3,氧化铝填料的加入提高了复合材料的硬度。硬度的材料可以与相关的分子间债券尤其是填料和聚合物矩阵。因此,硬度越高,越均匀分散的氧化铝聚酯矩阵。见图8最大硬度是通过5卷%的氧化铝的复合材料,在复合材料较高含量的氧化铝(即。,10卷%)证明了降低硬度。硬度的显著增强的复合材料相比,整洁的聚酯,即。,5。2HV (Vickers Pyramid Number) was 140.38, 321.15, and 300 % for the composites with 1, 5, and 10 vol% of alumina, respectively.

添加氧化铝硬度的增加的聚酯矩阵可能归因于这样一个事实:高分子链运动被“联锁机制”由氧化铝粒子的存在。因此,复合材料提供更高的抗外压痕硬度计机,导致更高的硬度值(32]。均匀分散的氧化铝聚酯矩阵增加了复合材料的硬度值。氧化铝有助于对变形的均匀分布在外部负载(33]。总之,氧化铝的加入增加了机械性能如抗拉强度、刚度、和聚酯/铝复合材料的硬度,而strain-at-break财产减少。

3.5。机械性能

表面形态的复合材料拉伸试验后样品(即骨折。tensile-fractured样本)也被调查。图9SEM显微图显示tensile-fractured表面整洁的聚酯纤维和复合材料5 10卷% %氧化铝和铝卷300 x放大。图9(一个)介绍了粗裂缝表面整洁的聚酯,指示的韧性断裂类型聚合物矩阵。与此同时,复合材料的断裂表面5%氧化铝(见图9 (b))展示一个清晰的形态变化后的聚酯矩阵添加氧化铝填料。这种断裂表面也证实了聚酯和铝之间的附着力好。氧化铝填料似乎与聚酯交互矩阵。以10卷%的复合氧化铝(见图9 (c)),分离的氧化铝粒子(如所示黄色dashed-circle)被发现,促进了空洞的形成。除此之外,一些聚集也观察到(黄色箭头所示),导致小的复合材料的强度和硬度。

4所示。结论

在最近的研究中,聚酯/铝复合材料在不同氧化铝含量(即。0 1、5、10卷%)已经准备好了。制备复合材料的物理机械性能进行了研究。发现复合材料的物理和力学性能影响氧化铝浓度添加到聚酯矩阵。(即从物理特性分析。,density), the void percentage of composites increased with the increase of alumina content, thus increasing the difference in values between experimental and theoretical density as well. From mechanical properties analysis, the tensile test results showed that tensile strength of the composites increased with the increase of alumina content. The tensile strength increased until reaching maximum at composites with 5 vol% alumina and then slightly decreased at composites with 10 vol% alumina. The similar trend was also observed for the modulus of elasticity and hardness values of the composites. The enhancement of tensile strength of the composites as compared to that of neat polyester (i.e.,16.25 MPa) was 30.77, 93.85, and 84;52 % for the composites with 1, 5, and 10 vol% of alumina, respectively, whereas the enhancement of elastic modulus or stiffness of the composites as compared to that of neat polyester (i.e., 716.25 MPa) was 71.05, 196.29, and 214.4 % for the composites with 1, 5, and 10 vol% of alumina, respectively. In addition, the hardness values of composites also showed a similar trend to tensile strength of composites. The incorporation of filler could facilitate an “interlocking mechanism” of the polymeric chains, which resulted in an increase of hardness of the composites. In other hand, the strain-at-break of the composites was all lower than the neat polyester and decreased with increasing alumina content.

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的发现可以发布应用程序/个人要求第一作者,谁可以联系(电子邮件保护)

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者想表达诚挚的感谢学院的工程,艾尔默罕默德•伊本•沙特生育了众多伊斯兰阿訇大学支持这项研究。