玻璃纖維-鋁合金層合板氙燈老化性能研究

崔海超，熊磊，馬宏毅，翟全勝

（1.中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300；2.南昌航空大學(xué)，南昌 330063）

FML（Fiber Metal Laminate）纖維-金屬混雜層合板由纖維預(yù)浸料復(fù)合材料層與金屬薄板疊層，給予溫度及壓力后，共同固化膠接而成，它綜合了樹脂基纖維復(fù)合材料及金屬的優(yōu)勢，具有優(yōu)異的耐疲勞性、抗沖擊韌性及高的比強(qiáng)度等性能[1-5]。雖然混雜材料兼具復(fù)合材料與金屬材料的性能優(yōu)勢，但飛行器在高空面臨著各種環(huán)境考驗(yàn)，如濕熱、紫外線等，而纖維-金屬混雜材料內(nèi)部的樹脂有機(jī)物及較多的結(jié)合界面在老化條件環(huán)境中會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)性能[6-7]。玻璃纖維-鋁合金層合板作為第三代纖維-金屬層合板，在民用及軍用飛機(jī)中的應(yīng)用最為廣泛，其中空客公司A380飛機(jī)的頂拱及前緣等均采用了該類材料制造。飛機(jī)飛行過程中時刻暴露于紫外線等光線的照射之中，材料性能的穩(wěn)定是飛機(jī)運(yùn)行安全的基礎(chǔ)[8-10]。國內(nèi)外對于玻璃纖維、碳纖維復(fù)合材料或鋁合金材料的老化性能、機(jī)理等開展了大量研究工作[11-16]，而玻璃纖維-鋁合金層板混雜復(fù)合材料的氙燈老化實(shí)驗(yàn)在文獻(xiàn)中尚未見研究。

文中針對玻璃纖維-鋁合金層合板試樣采用氙燈加速老化的方法處理，研究不同氙燈老化時間后復(fù)合材料層及界面的形貌變化，對材料的老化靜態(tài)力學(xué)性能變化進(jìn)行了研究，為玻璃纖維-鋁合金層合板的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

該試驗(yàn)使用中航工業(yè)復(fù)合材料中心研制的玻璃纖維-鋁合金層合板，層合板使用的鋁合金板牌號為2024-T3，名義厚度為0.254 mm，玻璃纖維預(yù)浸料牌號為S4C9-1200/SY-27，名義厚度為0.15 mm。使用的層合板結(jié)構(gòu)包括單向及正交兩類，鋪層見表1，測試包括兩類結(jié)構(gòu)的0°及90°方向。

表1 玻璃纖維-鋁合金層合板鋪層結(jié)構(gòu)

1.2 老化環(huán)境及試驗(yàn)方法

1）氙燈老化環(huán)境：試驗(yàn)使用美國Q-LAB公司生產(chǎn)的Q-Panel氙燈燈管作為輻照光源，設(shè)定輻照度為500 W/m2，光源波長范圍為290～800 nm，黑板溫度范圍為（40±5）℃，相對濕度為40%，每個測試周期為 14 d。

2）靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)采用上海龍華公司生產(chǎn)的萬能試驗(yàn)機(jī)（型號為WDW-50C），試樣規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)見表2。其中，彎曲試驗(yàn)時，使試樣背光面向上，與試驗(yàn)機(jī)壓頭接觸，試樣曝光面向下。

3）顯微形貌及元素分析，使用 FEI公司的掃描電子顯微鏡（型號為 QUANTA-200）觀察鋁合金顯微形貌，元素分析使用與掃描電子顯微鏡聯(lián)用的射線能譜儀。使用JEOL公司的掃描電子顯微鏡（型號為BCPCAS4800）觀察復(fù)合材料層顯微形貌，放大倍率為500～2000倍。

表2 試樣規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)

4）紅外光譜分析，光譜分析實(shí)驗(yàn)使用 Nicolet公司的紅外光譜儀（型號為FIR750），掃描波數(shù)范圍為 4000～400 cm－1，信噪比為 2000∶1。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)力學(xué)性能

通過表征玻璃纖維-鋁合金層合板在不同氙燈老化周期后的典型力學(xué)性能，分析材料在氙燈老化后的拉伸破壞過程。

2.1.1 靜態(tài)拉伸強(qiáng)度及模量

實(shí)驗(yàn)測試了單向、正交兩類結(jié)構(gòu)的0°及90°材料拉伸強(qiáng)度及模量，不同老化周期數(shù)據(jù)曲線如圖1所示。

圖1 不同老化周期的數(shù)據(jù)曲線

由圖 1可以看出，四種結(jié)構(gòu)玻璃纖維-鋁合金層合板的拉伸強(qiáng)度及模量隨老化時間的延長均呈現(xiàn)下降趨勢。正交結(jié)構(gòu)兩個方向試樣的拉伸強(qiáng)度對于氙燈環(huán)境相對敏感，對比未老化及老化84 d后的層合板性能，兩種結(jié)構(gòu)層合板的拉伸強(qiáng)度均降低13.7%，模量分別降低2.5%和2.1%，而單向0 °及90°層合板拉伸強(qiáng)度分別降低7.6%和4.5%，模量分別降低3.9%和4.1%。

觀察氙燈老化后的試樣端面，老化前后未產(chǎn)生明顯變化，但拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生了不同程度的下降趨勢，依賴鋁合金層承載的單向 90°玻璃纖維-鋁合金層合板及依靠纖維增強(qiáng)體承載的單向 0°玻璃纖維-鋁合金層板拉伸強(qiáng)度波動性較小。這表明老化過程并未使材料基體樹脂及玻璃纖維增強(qiáng)體發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，僅對玻璃纖維-鋁合金層合板中的樹脂交聯(lián)分子鏈產(chǎn)生了作用，破壞了部分已交聯(lián)的分子鏈結(jié)構(gòu)，降低了樹脂交聯(lián)程度。同時影響了鋁合金-樹脂及樹脂-纖維的界面性能，氙燈光照對于單向結(jié)構(gòu)層合板影響較小，但界面性能的降低對于玻璃纖維增強(qiáng)體在承載后的應(yīng)力傳遞產(chǎn)生了一定影響。這種情況在對界面性能依賴性高的正交鋪層結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)得尤為明顯，使正交0°及正交 90°玻璃纖維-鋁合金層合板拉伸強(qiáng)度降低了13.7%。

四種結(jié)構(gòu)的玻璃纖維-鋁合金層板拉伸破壞形式相同，以單向結(jié)構(gòu)玻璃纖維-鋁合金層板 0°拉伸破壞為例，如圖2所示。破壞形式包括復(fù)合材料層的纖維及基體破壞及鋁合金層發(fā)生的塑性變形破壞。復(fù)合材料層及鋁合金層的模量存在著較大差異，樹脂-鋁合金界面對于傳遞兩者的應(yīng)力起至關(guān)重要的作用。在玻璃纖維-鋁合金層合板未經(jīng)歷老化時，其中存在的纖維-樹脂及鋁合金-樹脂界面未發(fā)生破壞，拉伸過程中的拉伸應(yīng)力可由鋁合金、樹脂和玻璃纖維共同承載。在纖維及鋁合金層內(nèi)部應(yīng)力裂紋萌發(fā)初期，樹脂基體的韌性及纖維在層內(nèi)的橋接作用，可抑制裂紋的擴(kuò)展趨勢。由于鋁合金的斷裂伸長率遠(yuǎn)高于復(fù)合材料層，在拉伸過程中，玻璃纖維-鋁合金層合板內(nèi)部的復(fù)合材料層首先發(fā)生破壞，此時應(yīng)力超過了鋁合金塑性變形應(yīng)力，使鋁合金層斷裂。

圖2 拉伸破壞試樣（單向0°）

2.1.2 靜態(tài)彎曲強(qiáng)度及模量

玻璃纖維-鋁合金層合板單向、正交兩類結(jié)構(gòu) 0°及90°方向的彎曲強(qiáng)度及模量曲線分別如圖3和圖4所示。彎曲強(qiáng)度及模量隨著氙燈老化周期的延長而降低，下降幅度較小。在氙燈老化84 d后，單向結(jié)構(gòu)的0°和90°及正交結(jié)構(gòu)90°三類玻璃纖維-鋁合金層合板的彎曲強(qiáng)度及模量下降均小于3%，正交結(jié)構(gòu)0°試樣對于氙燈老化相對敏感，強(qiáng)度及模量分別降低4.6%和 4.4%。另外，正交 0°試樣在同等周期時的強(qiáng)度及模量要高于正交90°試樣，表明正交結(jié)構(gòu)的彎曲性能與試樣中的0°預(yù)浸料層位置有關(guān)，0°預(yù)浸料越靠近表層，玻璃纖維-鋁合金層合板的支撐性越強(qiáng)。由于玻璃纖維-鋁合金層合板具有極高的韌性，僅單向0°、正交0°及正交90°試樣在老化70 d時開始出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，如圖5所示，而單向90°試樣老化80 d后仍未出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象。

圖3 不同老化時間的彎曲強(qiáng)度曲線

圖4 不同老化時間的彎曲模量曲線

兩種鋪層結(jié)構(gòu)玻璃纖維-鋁合金層板彎曲性能的變化趨勢及彎曲破壞現(xiàn)象，也說明了樹脂基體在氙燈老化過程中發(fā)生了降解作用，使復(fù)合材料層發(fā)生塑化效應(yīng)，降低了材料的模量。隨老化周期的延長，明顯降低了鋁合金-樹脂界面性能，但對于纖維-樹脂界面的影響較小，這也是在彎曲過程中，復(fù)合材料層未發(fā)生分層的原因。

圖5 老化65 d

2.2 紅外光譜分析

分析不同老化周期試樣拉伸破壞后的玻璃纖維復(fù)合材料層紅外圖譜，如圖6所示。C—H和苯環(huán)的特征峰分別位于2976 cm-1和1590 cm-1波段處，兩個波峰隨老化時間的延長逐漸減弱，復(fù)合材料層中的樹脂基體發(fā)生了降解，降解使得環(huán)氧熱固性樹脂的交聯(lián)程度減小，使材料塑化。同時927～1050 cm-1處的玻璃纖維Si—O特征峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，表明樹脂與玻璃纖維界面結(jié)合力減弱，樹脂從玻璃纖維上脫落程度增加，這也可以從破壞后復(fù)合材料層內(nèi)的顯微形貌中可以看出。老化前后破壞試樣的層內(nèi)形貌如圖7所示，未老化試樣中的樹脂仍然附著于纖維上，老化后試樣的光滑玻璃纖維已經(jīng)裸露。氙燈老化后的界面弱化降低了纖維的橋接作用，阻礙了載荷的有效傳遞，弱化界面不利于阻止層內(nèi)微裂紋的擴(kuò)展，將導(dǎo)致層合板力學(xué)性能下降。

圖6 不同老化周期的復(fù)合材料層紅外光譜圖

圖7 老化前后破壞試樣的層內(nèi)形貌

2.3 鋁合金表面形貌

觀察拉伸破壞后的玻璃纖維-鋁合金層合板表面鋁合金板隨老化時間的變化，層合板表面鋁合金層的表面形貌變化與結(jié)構(gòu)類型無關(guān)，僅與老化時間相關(guān)。因此僅分析單向結(jié)構(gòu)0°方向試樣的鋁合金表面，如圖8所示，圖中標(biāo)示了鋁合金表面顯微形貌元素圖譜。

圖8 不同老化周期后的鋁合金表面形貌及元素分析（單向0°）

從圖8可以看出，鋁合金表面存在的微凹坑數(shù)量及大小隨老化時間的延長并未發(fā)生明顯變化，表面主要元素均為Al和O，凹坑處的O含量隨老化時間的延長略微增加，其他位置的O元素含量未發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)表明，在受到氙燈光照后，對于鋁合金的腐蝕程度很低。凹坑處 O元素含量的增加是由于在層合板制造過程中，鋁合金表面致密的陽極氧化薄膜發(fā)生了破損，裸露了內(nèi)部的鋁合金層，鋁在自然條件氧化時，形成的Al2O3薄膜層致密程度較低，在受到氙燈光照后，促進(jìn)了氧化程度的增加，使氧化膜厚度增加。

4 結(jié)論

1）不同鋪層結(jié)構(gòu)玻璃纖維-鋁合金層合板的拉伸強(qiáng)度及模量隨老化時間的延長而下降，正交結(jié)構(gòu)的玻璃纖維-層合板的拉伸強(qiáng)度在老化84 d后下降13.7%，單向結(jié)構(gòu)層合板0°及90°方向的拉伸強(qiáng)度在老化84 d后分別下降7.6%和4.5%，兩類層合板的拉伸模量降幅均在5%以內(nèi)。

2）正交結(jié)構(gòu)的彎曲性能與試樣中的0°預(yù)浸料層位置有關(guān)，正交結(jié)構(gòu)層合板0°彎曲強(qiáng)度和模具分別降低4.6%和4.4%，其他結(jié)構(gòu)層合板的彎曲強(qiáng)度及模量降幅小于3%。

3）玻璃纖維-鋁合金層板中的復(fù)合材料層在氙燈老化過程中發(fā)生了基體降解，使基體產(chǎn)生了塑化作用，減小了樹脂交聯(lián)程度，弱化了樹脂與纖維、金屬的界面，影響了材料的力學(xué)性能。

4）鋁合金在氙燈老化過程中局部受到光照腐蝕，但腐蝕程度較小，老化過程對于鋁合金的塑性變形產(chǎn)生了一定的影響。

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