濕熱老化對T700/TDE-85復合材料層間剪切強度的影響

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(南京航空航天大學1.能源與動力學院，江蘇省航空動力系統重點實驗室，南京 210016； 2.先進航空發(fā)動機協同創(chuàng)新中心，南京 210016)

0 引 言

碳纖維增強樹脂基復合材料具有比強度高、可設計性強，以及耐腐蝕性能、抗疲勞性能和抗沖擊性能良好等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天領域[1]，如飛機蒙皮、副冀、尾翼，航空發(fā)動機中的風扇機匣和包容環(huán)、風扇轉子葉片、風扇出口導流葉片以及發(fā)動機短艙和反推力裝置等[2]。飛機中復合材料構件占比已成為衡量飛機結構設計先進性的重要指標之一[3-4]。

具有層合結構的復合材料的層間剪切強度較低，且惡劣的服役環(huán)境，特別是濕熱環(huán)境也會導致其力學性能的降低和內部損傷的形成，從而造成構件失效或壽命降低[5-6]，最終影響飛機的安全性能。李曄等[7]的研究表明，濕熱環(huán)境對CF3052國產碳纖維織物/5284 RTM樹脂復合材料的層間剪切強度影響較大，而對彎曲和壓縮強度的影響相對較小。COSTA等[8]指出碳纖維增強環(huán)氧樹脂層壓板經濕熱老化后，其層間剪切強度和耐壓強度均下降?；菅┟返萚9]對3種不同改性基體的碳纖維復合材料進行120 h的水煮試驗，結果表明水煮后復合材料的吸濕率均不超過0.9%，吸濕對復合材料層間剪切性能的影響較拉伸性能的更明顯。因此，評估碳纖維增強樹脂基復合材料經濕熱老化后的層間剪切強度和損傷機理具有重要的意義。

目前，國外對復合材料濕熱老化性能的研究相對較為全面，但國內對國產樹脂基復合材料濕熱老化性能的研究相對較少。為此，作者通過人工加速濕熱老化試驗，選取國產T700碳纖維/TDE-85環(huán)氧樹脂(T700/TDE-85)復合材料為試驗對象，研究其吸濕特性和層間剪切強度隨老化時間的變化規(guī)律，分析了吸濕特性和層間剪切強度的關系，為該復合材料老化后層間性能的評估提供依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用T700/TDE-85復合材料由無錫威盛碳纖維有限公司生產，采用熱壓罐成型，鋪層方式為[0°/90°/-45°/45°/0°/90°/-45°/45°]s,共16層，平均每層的厚度為0.187 5 mm，總厚度約為3 mm，碳纖維體積分數為60%，試樣的尺寸為30 mm×15 mm×3 mm。

試樣表面經清潔后，用精度為0.1 mg的JJ324BC型電子天平稱取質量，然后放入LRHS-101D-LJS型恒溫恒濕試驗箱中進行人工加速濕熱老化試驗，試驗箱的溫度為70 ℃，相對濕度為95%。在濕熱老化過程中，每隔24 h取出試樣，用紙巾擦干試樣，稱取質量，當連續(xù)72 h試樣的質量變化均小于試驗前試樣質量的0.05%時，即可認為達到飽和吸濕狀態(tài)。試樣吸濕率的計算公式為

(1)

式中：Mi為試樣的吸濕率，%；mi為試樣經不同時間吸濕后的質量，g；m0為試樣的初始質量，g。

按照JC/T 773-2010，在MTS370.02型材料試驗機上采用短梁法對老化時間t分別為0，500，1 000，1 500，2 000 h的試樣進行層間剪切試驗，下壓速度為1.0 mm·min-1，試驗溫度為(25±3) ℃，相對濕度為(50±5)%，層間剪切試樣的尺寸如圖1所示，試驗過程如圖2所示。為降低水分蒸發(fā)對試驗結果的影響，需要對取出的試樣立即進行試驗。每個老化時間下測5個試樣取平均值。層間剪切強度的計算公式為

τsbs=0.75Pm/(bh)

(2)

式中：τsbs為層間剪切強度，MPa；Pm為破壞載荷或最大載荷，N；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm。

圖1 層間剪切試樣的尺寸Fig.1 Dimension of interlaminar shear specimen

圖2 層間剪切試驗示意Fig.2 Diagram of fixture interlaminar shear test

圖3 層間剪切試樣的吸濕率與老化時間的關系曲線Fig.3 Relation curve of moisture absorption rate vs aging time of interlaminar shear sample

試樣表面經噴金處理后，采用JSM-7001F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣老化后的表面微觀形貌；采用KH-7700型三維體式顯微鏡觀察試樣的斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 吸濕特性

由圖3可知：T700/TDE-85復合材料吸濕過程分為3個階段，第一階段的吸濕特性符合Fickle第二定律[10-11]，吸濕率隨老化時間的延長而快速增大，吸濕率與老化時間的平方根成線性關系，該階段的吸濕主要是由復合材料的缺陷(裂紋、微空隙)和樹脂吸水而造成的，其吸濕形式主要是物理吸附，為可逆變化[12]；第二階段的吸濕率隨老化時間延長而緩慢增大,吸濕率比第一階段的明顯降低，吸濕機理較復雜，主要包括樹脂基體裂紋擴展吸濕、樹脂/纖維界面脫黏吸濕及樹脂水解吸濕等，這些均會對復合材料造成不可逆的破壞；第三階段的吸濕率幾乎不會隨老化時間的延長而增加，這是由于經過長期吸濕后，復合材料內的水分逐漸達到飽和，吸濕率處于平衡階段，此時的吸濕率稱為飽和吸濕率[13]，T700/TDE-85復合材料在1 369 h左右達到吸濕飽和，其飽和吸濕率為0.74%。

水分子在復合材料中的擴散系數與復合材料的性能和環(huán)境狀況有關，是描述復合材料吸濕特性的一項重要指標。由圖3擬合可得到曲線的斜率，擴散系數和該斜率存在一定的關系，其關系式為

(3)

(4)

式中：K為斜率；h為試樣厚度，mm；M∞為飽和吸濕率，%；Dz為擴散系數，mm2·s-1。

K取圖3中吸濕前期曲線的斜率，由式(4)計算得到，水分子在T700/TDE-85復合材料中的擴散系數為5.6×10-5mm2·s-1。

2.2 層間剪切強度

由圖4可以看出：當老化時間小于1 000 h時，載荷和位移為近似線性關系，這表明在老化時間較短時，基體和纖維結合得比較好，界面并未遭到嚴重破壞;當達到破壞載荷后載荷迅速下降，表現為脆性斷裂行為。當老化時間超過1 000 h后，當位移小于0.32 mm時載荷和位移呈近似線性關系，當位移大于0.32 mm后，曲線表現為波動特征，這是因為隨著老化時間的延長，水分不斷侵蝕復合材料，基體和纖維的界面受到嚴重破壞，復合材料表面和內部均有裂紋形成，當載荷增大時，裂紋不斷擴展，使得載荷-位移曲線出現波動;當達到破壞載荷時載荷并沒有迅速下降。雖然試驗測得的破壞載荷在老化時間為1 500 h時出現小幅上升，但總體上，破環(huán)載荷隨老化時間的延長呈下降的趨勢。

由圖5可知:基體表面存在微小的氣泡孔，使得水分更容易侵蝕到試樣內部，在熱應力和溶脹應力的聯合作用下，隨著老化時間的延長，氣泡孔不斷向外擴張，出現“翹皮”現象，同時深度也不斷增加；當氣泡孔向外擴張到一定程度時，會與相鄰的氣泡孔相交，從而形成條狀溝壑，在熱應力和溶脹應力的作用下，試樣表面形成微觀裂紋，甚至是龜裂紋，最終形成宏觀裂紋[14-15]。在層間剪切試驗過程中，試樣內部除了存在層間剪切應力，還存在彎曲應力、橫向剪切應力和局部擠壓應力等。在橫向剪切應力的作用下，因濕熱老化而形成的微觀裂紋不斷擴展，從而導致載荷-位移曲線出現波動現象。

圖4 不同時間老化后試樣的載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of samples after aging for different times

圖7 不同時間老化后試樣的斷口側面形貌Fig.7 Side morphology of fracture of samples after aging for different times

表1為不同時間老化后試樣的層間剪切強度，由表1可知：隨著老化時間的延長，層間剪切強度呈下降的趨勢；在老化時間為0～1 000 h時，試樣層間剪切強度下降的幅度較大，這是因為當老化時間小于1 000 h時，試樣吸濕率增大的幅度較大，在溶脹應力和熱應力的作用下，吸濕率越大，層間界面遭到破壞的程度越嚴重;當老化時間為1 000～2 000 h時，幾乎不隨著老化時間的延長而變化，因此層間剪切強度下降的幅度減小，經過2 000 h的濕熱老化后，層間剪切強度保持率為50.6%左右；隨老化時間的延長，層間剪切強度波動性整體呈增大的變化趨勢，這說明其穩(wěn)定性整體呈下降的變化趨勢。由圖6可見，T700/TDE-85復合材料層間剪切強度保持率與吸濕率呈近似線性關系，由此可見溶脹應力對層間剪切強度的下降起主要作用。

表1 不同時間老化后試樣的層間剪切強度Tab.1 Interlaminar shear strength of samples afteraging for different times

圖6 T700/TDE-85復合材料的層間剪切強度保持率-吸濕率曲線Fig.6 Curve of interlaminar shear strength retention vs moisture absorption rate of T700/TDE-85 composite

2.3 斷口形貌

由圖7可知：未老化時，試樣側面斷口中有少量層內裂紋，如圖中圓圈所示；當老化500 h時，裂紋數量增多且伴有層間裂紋；當老化1 000 h時，層間裂紋數量和長度均明顯增加；當老化1 500 h時，試樣出現了層內橫向裂紋；當老化2 000 h時，層間裂紋、層內橫向裂紋、層內縱向裂紋交織在一起，形成網狀裂紋。在老化初期，由于復合材料在制造過程中有少量內部缺陷，當受到橫向剪切應力時，容易發(fā)生層內斷裂。隨著老化時間的延長，在溶脹應力和熱應力的作用下，復合材料內部產生裂紋，在橫向剪切應力作用下，裂紋擴展，宏觀裂紋增多，層間界面也遭到破壞，從而產生層間裂紋。

3 結 論

(1) T700/TDE-85復合材料吸濕過程的第一階段近似符合Fickle第二定律，吸濕率與老化時間的平方根成線性關系，第二階段的吸濕率隨老化時間增加而緩慢增大，第三階段的吸濕率幾乎不隨老化時間的延長而變化；在老化1 369 h左右時復合材料達到飽和吸濕狀態(tài)，飽和吸濕率為0.74%。水分子在復合材料中的擴散系數為5.6×10-5mm2·s-1。

(2) 在濕熱老化初期，隨老化時間的延長，復合材料的層間剪切強度下降的幅度較大，當達到飽和吸濕狀態(tài)后，層間剪切強度下降的幅度變??；復合材料層間剪切強度保持率與吸濕率呈近似線性關系，經過2 000 h的濕熱老化后，層間剪切強度保持率為50.6%左右；隨老化時間的延長，復合材料的裂紋由層內向層間發(fā)展，老化2 000 h后，層內、層間裂紋交織形成網狀裂紋。

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