濕熱環(huán)境對碳纖維復(fù)合材料性能影響的研究進展

仇哲豪 王坤 李逸煒

摘 要：隨著新材料的不斷發(fā)展，纖維復(fù)合材料因諸多優(yōu)異性能被廣為應(yīng)用，但由于其工作環(huán)境濕度和溫度較高，很大程度上影響了材料的部分性能，本文總結(jié)歸納有關(guān)研究進展，分析了材料吸濕機理和濕熱環(huán)境對力學(xué)、疲勞性能的影響。

關(guān)鍵詞：吸濕性;碳纖維復(fù)合材料;力學(xué)性能;疲勞性能

復(fù)合材料是指選擇合適成熟的材料制備技術(shù)將有機高分子、無機非金屬或金屬等多種不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新型人造材料。復(fù)合材料之所以能被廣泛運用于各個領(lǐng)域，是因為其不僅可以充分保持各組分材料優(yōu)勢性能，而且還能通過各組分性能的互補和關(guān)聯(lián)產(chǎn)生單獨組成材料所不具有的綜合性能。在復(fù)合增強材料中，碳纖維由于具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、抗蠕變、傳熱、導(dǎo)電、低的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)異的性能，被學(xué)者廣為青睞。然而，此類復(fù)合材料在長期的使用過程中，經(jīng)常暴露在濕熱環(huán)境中，濕熱老化造成的腐蝕效應(yīng)對材料產(chǎn)生巨大影響。本文從材料吸濕機理以及濕熱環(huán)境對材料性能影響出發(fā)，對該領(lǐng)域已有的研究成果進行整理歸納。

一、吸濕機理

碳纖維復(fù)合材料的吸濕行為是一個非常復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象。其作為一種樹脂基復(fù)合材料，由于自身的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用領(lǐng)域，導(dǎo)致必然會受到濕熱環(huán)境的腐蝕，從而引起復(fù)合材料性能的波動變化。

王世明[1]研究顯示表明，在一般情況下，復(fù)合材料的吸濕過程遵循Fick第二定律，隨著吸濕時間的增長，吸濕量經(jīng)歷從顯著增加到不再變化的過程，進而達到一種動態(tài)平衡狀態(tài)。復(fù)合材料的吸濕過程中，水分子擴散和基體鏈松弛過程是同時進行的，隨著水分子的滲透和擴散，聚合物的緩慢松弛過程包括聚合物鏈緩慢重排、聚合物溶脹、老化等，基體和界面的性能會受到很大的影響。

趙鵬則[2]指出水通過毛細作用的方式進入復(fù)合材料比擴散更突出，有實驗表明，水通過纖維與基體界面的擴散速率比通過無氣孔樹脂澆鑄體的擴散速率要快450倍之多。

在材料的制造過程中，有機物的分解揮發(fā)和材料自身的收縮變化[3]，不可避免地造成孔隙。袁曉文等[4]研究了不同基體復(fù)合材料的孔隙率對吸濕性的影響，認為復(fù)合材料的吸濕性能隨著孔隙率的增加而增加，在達到飽和后，經(jīng)過氧化將進一步提高，并隨著溫度的增加會出現(xiàn)一個峰值。

綜上所述，水分子進入復(fù)合材料的方式主要有產(chǎn)生毛細作用通過纖維/基體間的界面進入，由擴散作用通過樹脂基體以及通過復(fù)合材料中的裂紋或孔隙進入。在總結(jié)了對復(fù)合材料吸濕性部分機理的研究后，本文將進一步歸納吸濕性對材料其他性能的研究進展現(xiàn)狀。

二、吸濕對力學(xué)性能的影響

王迎芬等[5]采用國產(chǎn)碳纖維T700/BMI和T700S/BMI兩種復(fù)合材料層合板進行90°拉伸強度、0°壓縮強度和層間剪切強度實驗.其測試環(huán)境設(shè)置主要針對實驗溫度和干濕度進行變量改變。試驗結(jié)果表明隨著溫度和環(huán)境濕度的增加，材料拉伸強度和剪切強度都有明顯的下降。

Ray[6]等提出濕熱老化造成界面性能的退化對復(fù)合材料整體性能影響顯著。當基體吸收水分子后，纖維與樹脂具有不同的濕熱膨脹系數(shù)，在纖維/樹脂界面間產(chǎn)生了一定的剪應(yīng)力，當該應(yīng)力值大于界面間的粘結(jié)力時，會導(dǎo)致界面發(fā)生脫粘，影響了界面間應(yīng)力的均勻傳遞，使得材料的整體性能降低。

呂小軍等[7]研究了環(huán)境因素對碳纖維增強復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，進行了鹽水浸泡腐蝕試驗，確定了溶液的溫度是對力學(xué)性能影響最顯著的因素。認為原因在于溫度升高，熱作用使分子鏈段運動加劇，分子間作用力減弱，加速形成分子間空隙，有利于水分子進入，擴散系數(shù)大，致使材料的吸濕速率和飽和吸濕量均增大，對復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。

李向陽等[8]通過建立一個分析含面板內(nèi)分層損傷的復(fù)合材料夾層板屈曲性能的二維彈性基礎(chǔ)模型，驗證了溫度的急劇變化、潮濕的外部空間等均會引起變形、內(nèi)部應(yīng)力、材料性能變化、損傷、開裂和破壞等復(fù)雜的濕熱效應(yīng)，使得分層結(jié)構(gòu)更易發(fā)生屈曲和分層擴展，導(dǎo)致所設(shè)計的夾層結(jié)構(gòu)承載能力下降。

王曉潔等[9]在復(fù)合材料濕熱老化研究中，發(fā)現(xiàn)有些材料性能變化會出現(xiàn)起伏。認為溫度和濕度對材料性能的影響有相互矛盾的兩個方面：一方面濕氣的滲透，使樹脂基體發(fā)生增塑，且與基體中的某些化學(xué)鍵相互作用削弱了復(fù)合材料的界面性能，導(dǎo)致抗拉伸強度降低;另一方面，高溫使材料中的樹脂固化程度增加，引起性能的提高。兩種作用的強弱不同和相互消漲，導(dǎo)致材料力學(xué)性能出現(xiàn)起伏，使復(fù)合材料性能變化較單純熱或濕作用更為復(fù)雜。

綜上所述，吸濕性能使得復(fù)合材料在一定時間內(nèi)是本身含水分子量不斷上升，并隨著環(huán)境溫度增加，材料的界面結(jié)合能力、拉伸強度抗開裂能力等力學(xué)性能總體朝著下降的趨勢發(fā)展;然而，由于環(huán)境濕度和溫度對復(fù)合材料在某些方面有著相反的作用效應(yīng)，導(dǎo)致材料性能也會有所上下波動。因此，在工程設(shè)計和運用中需要注意此方面的問題。

三、濕熱環(huán)境對疲勞性能的影響

纖維復(fù)合材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用過程中遭受各種環(huán)境因素的影響，經(jīng)眾多學(xué)者研究表明其中濕度與溫度兩個因素對材料的性能影響最大：

Vauthier[10]等研究表明：（1）在70°C水浸泡下，由于水分子向局部微裂縫的滲透，復(fù)合材料的疲勞壽命會受到嚴重影響;（2）濕熱老化作用引起材料的缺陷會導(dǎo)致材料疲勞性能明顯退化。

Yang[11]采用宏觀脫膠實驗的方法研究了復(fù)合材料在水浸泡下的疲勞性能，研究表明吸濕后基纖界面的剪切強度受到影響，在疲勞荷載作用時界面?zhèn)鬟f荷載的能力嚴重下降。

沙勐[12]認為承受疲勞載荷時，復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)的初始損傷形式主要是基體裂紋和界面脫粘，基體裂紋和界面脫粘現(xiàn)象的存在促進了水分子在復(fù)合材料內(nèi)部的擴散，引起基體主要是界面性能的退化，加快了基體裂紋或界面脫粘等損傷形式的擴展，因此，濕熱環(huán)境下復(fù)合材料疲勞壽命相比室溫環(huán)境下的疲勞壽命有明顯降低。

綜上所述，濕熱環(huán)境在一定程度上降低了復(fù)合材料疲勞性能，其主要途徑仍集中在水分子在材料內(nèi)部擴散使得裂紋擴展，界面粘結(jié)失效等破環(huán)形式。

四、結(jié)論與展望

纖維復(fù)合材料由于其各項優(yōu)異性能，被應(yīng)用于航天、汽車等多領(lǐng)域中，其工作在濕熱環(huán)境中。上述諸多學(xué)者研究表明材料的吸濕主要通過水分子在纖維的吸收及擴散，水分子沿纖維-基體界面的毛細作用及水在孔隙、微裂紋和界面脫粘等缺陷中的聚集作用，這嚴重影響材料的力學(xué)性能，而目前學(xué)者們對于濕熱環(huán)境下疲勞性能的研究主要集中于GFRP、BFRP等材料，而對于脆性與強度較高的CFRP材料，其研究較少。為進一步提高纖維復(fù)合材料的使用效率，仍有待研究。

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作者簡介：

仇哲豪，男，漢族，江蘇南通人，江蘇大學(xué)本科在讀，土木工程方向

王坤，男，漢族，河南南陽人，江蘇大學(xué)本科在讀，土木工程方向

李逸煒，男，漢族，山西晉城人，江蘇大學(xué)本科在讀，土木工程方向

【基金項目】大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（編號：202010299361X）