飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料循環(huán)加速老化的研究

紀(jì)朝輝，劉 闊，白 云，梁吉勇

（中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

復(fù)合材料作為一種新型的材料已廣泛應(yīng)用于人們的日常生活和工業(yè)領(lǐng)域。由于復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高，耐腐蝕、抗疲勞性能好、材料的可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。目前，復(fù)合材料構(gòu)件所占重量的百分比已成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)性水平的重要指標(biāo)之一。復(fù)合材料所應(yīng)用的主要部件有：整流包皮、副冀、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、阻力板、擾流器、起落架艙門、水平和垂直尾翼、方向舵和升降舵及其他主要及次要承力結(jié)構(gòu)件等[2-4]。

由于上述的廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)題成為研究者們的主要研究方向之一，并且復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷也受到廣泛關(guān)注。飛機(jī)在服役過(guò)程中受到雨雪、紫外光照、鹽霧、濕熱等環(huán)境的影響，這些因素都能引起復(fù)合材料層合板的失效老化。復(fù)合材料層合板的老化不僅對(duì)材料的性能有很大的影響，并且直接影響飛機(jī)的安全性能。因此關(guān)注復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的老化意義重大。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料的老化行為進(jìn)行了大量研究，并對(duì)復(fù)合材料層合板分別進(jìn)行鹽霧、紫外和濕熱實(shí)驗(yàn)，取得了一些成果。李曉駿、陳新文[5]等人分別研究了復(fù)合材料在濕和熱、氙氣燈照射條件下力學(xué)性能的變化。張建明、陳躍良[6]等人在“氙燈光照-加濕”循環(huán)試驗(yàn)條件下對(duì)材料表面狀態(tài)和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。但以往這些相關(guān)研究，大多是幾種典型老化實(shí)驗(yàn)分開(kāi)進(jìn)行，這樣容易進(jìn)行橫向比較，得到對(duì)材料壽命產(chǎn)生最大影響的環(huán)境因素，和飛機(jī)服役時(shí)的復(fù)雜狀況有所差異[7-11]。

本文模擬民機(jī)在真實(shí)環(huán)境下的飛行狀態(tài)，設(shè)計(jì)進(jìn)行循環(huán)加速老化試驗(yàn)，確立循環(huán)加速實(shí)驗(yàn)參數(shù)（即加速譜）。即鹽霧、紫外、濕熱3種加速老化方式循環(huán)進(jìn)行，更加接近現(xiàn)實(shí)中飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的服役情況。測(cè)試了循環(huán)老化后試件的拉伸力學(xué)性能，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察和分析了斷裂的形式和斷口的形貌。評(píng)價(jià)民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在循環(huán)加速老化環(huán)境下的耐久性，為飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展提供依據(jù)，具有指導(dǎo)性作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

預(yù)浸布采用美國(guó)Cytec公司生產(chǎn)的MXB 7701-1581-B3型的玻璃纖維預(yù)浸布，膠膜采用3M公司生產(chǎn)的AF-163-2K（Knit carrier）型中溫固化膠膜。使用上述預(yù)浸布和膠膜制備試樣，試樣尺寸為250 mm×15 mm×1 mm，共4層。

1.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

1）YWC-010鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，溫度誤差范圍±0.5℃；

2）ZN-P紫外光老化實(shí)驗(yàn)箱，溫度誤差范圍±0.5℃；

3）GDJW-100濕熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱，溫度誤差范圍±1℃；相對(duì)濕度最大誤差范圍為±2%；

4）DHG-9031型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；

5）LEO1530VP型掃描電子顯微鏡；

6）INSTRON 5598型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；

7）SARTORIUS BSA223S電子天平，其精確測(cè)量至1 mg。

1.3 加速老化試驗(yàn)方法

首先使用恒溫干燥箱將試樣干燥至恒重（即試樣質(zhì)量變化低于2%），然后對(duì)試樣進(jìn)行循環(huán)加速老化試驗(yàn)，共進(jìn)行5次加速老化循環(huán)。加速老化試驗(yàn)采用如下循環(huán)加速譜：

1）中性鹽霧試驗(yàn)：主要模擬海洋大氣環(huán)境中鹽霧和潮濕環(huán)境對(duì)復(fù)合材料的老化作用，采用GB/T 10125-1997試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂層試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每一循環(huán)進(jìn)行24 h。

2）紫外光老化試驗(yàn)：主要模擬太陽(yáng)光中紫外線對(duì)復(fù)合材料的老化作用，所采用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T16585-1996試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。采用光照冷凝循環(huán)交替作用，每次光照4 h，冷凝4 h，試驗(yàn)共進(jìn)行24 h。

3）濕熱試驗(yàn)：主要模擬空氣中水分對(duì)復(fù)合材料的腐蝕作用，采用ASTM D52-29/5229M具體標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度為70℃、濕度為85%以及試驗(yàn)時(shí)間為24 h。

1.4 吸濕率測(cè)試

每一循環(huán)后測(cè)量試樣的重量，通過(guò)測(cè)量質(zhì)量的變化可以得到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試樣的吸濕量。計(jì)算方法如式（1）所示

其中：Mt為吸濕量（%）；Wω為 t時(shí)刻試樣的質(zhì)量（g）；Wd為原始試樣的質(zhì)量（g）。

1.5 力學(xué)性能測(cè)試

采用INSTRON 5598型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM 3039標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每一循環(huán)后的試樣進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min。

1.6 掃描電子顯微鏡（SEM）測(cè)試

每一次循環(huán)老化后使用LEO1530VP型掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷面形貌。

2 結(jié)果分析

2.1 吸濕規(guī)律分析

圖1為試樣在經(jīng)過(guò)5次循環(huán)加速老化后的吸濕曲線。由圖1可以看出，試樣的吸濕量在前2個(gè)循環(huán)后呈現(xiàn)一個(gè)快速增長(zhǎng)的狀態(tài)，從第3次循環(huán)至第5次循環(huán)吸濕量增長(zhǎng)比較緩慢，最終處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。這可能是由于在老化前期，試樣經(jīng)過(guò)干燥，樹(shù)脂和纖維中的水份充分蒸發(fā)，處于干態(tài)。當(dāng)試樣進(jìn)入加速老化試驗(yàn)后接觸到水份，特別是濕熱和鹽霧實(shí)驗(yàn)，試樣中的樹(shù)脂和纖維迅速地吸收水份，同時(shí)試樣中存在孔隙及缺陷，在短期內(nèi)試樣的吸水量快速增長(zhǎng)。當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的加速老化后，樹(shù)脂和纖維逐漸膨脹，吸濕達(dá)到一個(gè)飽和的狀態(tài)，吸水量隨之穩(wěn)定，最終達(dá)到了1.2%左右的吸濕量。

圖1 試樣吸濕曲線Fig.1 Moisture content curve

可以看出，試樣的吸水過(guò)程符合Fick第二定律[12-13]，即老化初期吸濕率快速增長(zhǎng)，后期逐漸減緩，并最終達(dá)到飽和狀態(tài)。根據(jù)Fick第二定律可知，吸濕初期水在樹(shù)脂中的擴(kuò)散系數(shù)與吸濕量的關(guān)系如下

其中：Mi為材料的初始含濕率；Mm為材料的平衡吸濕率；Mt為任意t時(shí)刻材料的吸濕率；D為擴(kuò)散系數(shù)；h為試件的厚度。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，在溫度為70℃、相對(duì)濕度為85%的環(huán)境下，水在環(huán)氧樹(shù)脂中的擴(kuò)散系數(shù)D為8.84×10-6mm2/s。

2.2 力學(xué)性能分析

對(duì)未進(jìn)行老化以及不同循環(huán)加速老化周期下的試樣進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，得到試樣的最大拉伸強(qiáng)度、斷裂載荷均值及斷裂時(shí)的位移均值，如表1所示。

表1 不同加速循環(huán)老化周期后拉伸力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Tensile mechanical properties after different accelerated ageing cycles

為了更好地表示斷裂載荷的大小和趨勢(shì)，以循環(huán)加速周期為x軸，以斷裂載荷為y軸作圖，如圖2所示。

圖2 不同加速循環(huán)老化周期后斷裂載荷均值變化圖Fig.2 Failure mode after different accelerated ageing cycles

如圖2所示，斷裂載荷均值隨著加速老化的進(jìn)行逐漸降低。前3個(gè)循環(huán)后斷裂載荷迅速降低，而第4循環(huán)和第5循環(huán)降低的速度很緩慢，趨于穩(wěn)定試樣的斷裂載荷下降了32.15%。

由表1可知，最大拉伸強(qiáng)度及斷裂時(shí)位移也符合這一規(guī)律。結(jié)合試樣吸濕量的變化，可以推斷，復(fù)合材料力學(xué)性能的變化與吸濕量成反比，即試樣吸收的水份越多，其力學(xué)性能越低。

2.3 形貌變化分析

如圖3（a）所示，經(jīng)過(guò)循環(huán)加速老化后試樣的宏觀形貌發(fā)生了很大的變化。對(duì)比分析未經(jīng)過(guò)老化和不同加速循環(huán)老化后的試樣可以看出，試樣的顏色由白色變成了黃色，并逐漸加深。試樣受到紫外光照射，會(huì)引起試樣表面樹(shù)脂發(fā)生光降解和熱老化現(xiàn)象，導(dǎo)致分子鏈斷裂，強(qiáng)度降低。如圖3（b）所示，觀察試樣側(cè)面的形貌變化，經(jīng)過(guò)1次加速老化的試樣只有外表面變黃，表明損傷只發(fā)生在表面，未到達(dá)試樣內(nèi)部。經(jīng)過(guò)5次加速老化試驗(yàn)后，試樣的整個(gè)側(cè)面都呈黃色，表明經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后，試驗(yàn)內(nèi)部也發(fā)生了老化。

為了進(jìn)一步觀察斷口形貌和斷裂方式，對(duì)老化前后兩種試樣失效后的斷口進(jìn)行SEM分析，得到的金相照片如圖4所示。

如圖 4（a）、圖 4（b）所示，可以觀察到，經(jīng)過(guò)老化的纖維由于受到載荷的作用，在斷裂時(shí)從基體中拔出，拔出后使基體上留下了纖維的通道和脫粘后基體起的褶皺，同時(shí)伴隨著纖維的斷裂。觀察圖4（c）可知，未經(jīng)老化前試樣斷口處纖維上附著了許多樹(shù)脂，這些樹(shù)脂呈粉末狀分布，由圖4（d）看出，試樣經(jīng)過(guò)5次加速老化后纖維變的很光滑，附著的樹(shù)脂很少，且樹(shù)脂呈小顆粒狀分布。表明試樣在加速老化過(guò)程中，樹(shù)脂吸收水份，發(fā)生了溶脹作用，同時(shí)在紫外光照下樹(shù)脂發(fā)生了降解，對(duì)纖維的依附性能降低。

圖4 試樣老化前后斷口處掃描電鏡圖Fig.4 SEM photos of fracture morphology before and after ageing

3 結(jié)語(yǔ)

1）采用模擬工況的加速循環(huán)試驗(yàn)方法，即采用鹽霧實(shí)驗(yàn)、紫外光老化實(shí)驗(yàn)、濕熱實(shí)驗(yàn)3種加速老化方法循環(huán)進(jìn)行，研究了飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的大氣老化行為。對(duì)不同循環(huán)周期后的試樣進(jìn)行吸濕規(guī)律分析，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)5次循環(huán)試驗(yàn)試樣的吸濕量符合Fick第二定律，水在環(huán)氧樹(shù)脂中的擴(kuò)散系數(shù)D為8.84 × 10-6mm2/s。

2）對(duì)不同循環(huán)周期后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明，隨著加速老化循環(huán)的進(jìn)行，試樣的最大拉伸強(qiáng)度、斷裂載荷逐漸下降。試樣的力學(xué)性能在初期迅速下降，到后期下降緩慢，區(qū)域平穩(wěn)，與吸濕量的增長(zhǎng)呈反比。

3）結(jié)合試樣形貌的變化可知，經(jīng)過(guò)紫外光照射，試樣表面漸漸失去光澤，由白色變成黃色，樹(shù)脂發(fā)生了光老化；在濕熱的作用下樹(shù)脂與纖維間的粘接性能減弱，樹(shù)脂溶脹，性能降低，發(fā)生了熱氧化。

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