环氧树脂/SiO2/玻璃纤维复合材料的固化温度优化：显著提升薄壁压力容器的机械强度和热稳定性

《Polymers for Advanced Technologies》：Optimization of Curing Temperature for Epoxy/SiO2/Glass Fiber Composite: Dual Enhancement of Mechanical Strength and Thermal Stability for Thin-Walled Pressure Vessels

先进复合材料环氧/SiO2/玻璃纤维的固化温度对热机械性能影响显著，120℃时实现环向强度341.3MPa、热导率0.198W/m·K的最优组合。研究通过FTIR、XRD和TGA分析验证材料相容性，发现热稳定性与机械性能呈负相关，比热容随温度升高而降低。理论模型与实验数据高度吻合，为薄壁压力容器轻量化设计提供新方案。

　　

摘要

开发用于薄壁压力容器的先进复合材料需要在机械强度和热绝缘性之间取得平衡。本研究制备了一种新型的三相复合材料体系，该体系由环氧树脂、二氧化硅（SiO₂）微粒和玻璃纤维增强剂组成，并对其进行了性能表征，以探讨其在高性能薄壁容器结构中的应用潜力。样品在不同温度（60°C至160°C）下进行固化处理，系统地研究了固化条件对材料结构和热性能的影响。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等综合表征方法，证实了二氧化硅和玻璃纤维成功融入了非晶态环氧树脂基体中。热重分析（TGA）显示材料存在两阶段降解过程，且在120°C的固化温度下热稳定性最佳。比热容（C_p）随固化温度升高而降低，表明材料的隔热性能得到提升。力学测试表明，当固化温度达到140°C时，环向强度（S_H）和爆破压力（P_b）显著提高，且这种提高遵循三次多项式关系。值得注意的是，在120°C下固化的复合材料展现了最佳的综合性能：环向强度为341.3?±?6.5?MPa，爆破压力为16.66?±?0.3?MPa，比热容为2.33?J/g·K，热导率为0.198?W/m·K，安全系数为1.39?±?0.024，同时保持了优异的热阻性能。理论预测结果与实验结果高度吻合。总体而言，这种优化的环氧树脂/二氧化硅/玻璃纤维复合材料是一种轻质、热稳定性高且机械性能优异的替代传统金属容器的材料，适用于化学、石油和制药行业对耐用薄壁压力容器解决方案的需求。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。