中低溫固化環(huán)氧復(fù)合材料老化性能研究

韓 霞，楊麗君，劉 靜，江 金，華繼凡

應(yīng)用研究

中低溫固化環(huán)氧復(fù)合材料老化性能研究

韓 霞1, 2，楊麗君2，劉 靜1, 2，江 金1, 2，華繼凡1, 2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 湖北長海新能源科技有限公司，湖北黃岡 438011）

本文采用中低溫固化環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料，制備了LT-EP/CF復(fù)合材料平板，進(jìn)行了濕熱老化和鹽霧老化試驗(yàn)，對老化后的力學(xué)性能進(jìn)行了測試。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：濕熱老化10個(gè)周期后，彎曲強(qiáng)度受界面性能影響更大，彎曲強(qiáng)度保留率為93.00%，拉伸強(qiáng)度主要靠纖維強(qiáng)度主宰，拉伸強(qiáng)度保留率為95.35%。濕熱老化經(jīng)30個(gè)周期后，強(qiáng)度和模量保留率仍≥85%，滿足大多數(shù)裝備的設(shè)計(jì)壽命。鹽霧老化后，試樣的破壞形式以層間破壞為主，主要破壞基體性能。鹽霧老化10 d后，彎曲強(qiáng)度保留率為90.08%，拉伸強(qiáng)度保留率為90.92%，強(qiáng)度下降相較于濕熱老化更嚴(yán)重。鹽霧老化30 d后，強(qiáng)度和模量保留率仍≥85%，滿足大多數(shù)裝備耐受腐蝕環(huán)境的要求。

中溫固化環(huán)氧復(fù)合材料 濕熱老化 鹽霧老化

0 引言

隨碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced epoxy polymer，EP/CF）是以環(huán)氧樹脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體，采用先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝制備而成的一系列高性能復(fù)合材料[1]。EP/CF復(fù)合材料作為先進(jìn)復(fù)合材料的一個(gè)最重要的分支，已廣泛應(yīng)用于制作飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、軍工輕量化防護(hù)構(gòu)件。根據(jù)樹脂固化溫度不同，EP/CF復(fù)合材料的固化可分為中溫固化（50～130℃）和高溫固化（130℃以上），分別朝著兩個(gè)方向進(jìn)行改性，一是增韌；二是高耐熱性。

中低溫固化體系的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料（LT- EP/CF）是由柔性環(huán)氧樹脂和特殊固化體系復(fù)配而成[2-3]，相比于通用EP/CF復(fù)合材料，LT- EP/CF復(fù)合材料具有固化溫度低、內(nèi)應(yīng)力小、尺寸穩(wěn)定精度高、工藝操作性優(yōu)異、產(chǎn)品增韌效果明顯、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)[4, 5]，擴(kuò)寬了EP/CF復(fù)合材料的應(yīng)用時(shí)間和領(lǐng)域，在水下及海洋環(huán)境的大型裝備，如螺旋槳、導(dǎo)流罩、無人機(jī)、海上風(fēng)電葉片等的應(yīng)用[6,7]，具有廣闊的發(fā)展空間。

大量關(guān)于復(fù)合材料環(huán)境老化研究表明，濕和熱對復(fù)合材料的老化產(chǎn)生最主要的影響，直接影響其使用性能，在海洋環(huán)境溫度交替、高濕、高鹽霧等多環(huán)境因素的耦合作用下，復(fù)合材料的力學(xué)性能均會(huì)下降[8]。Dao等[9]研究了熱/濕老化對結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的影響，結(jié)果表明，濕度和溫度的協(xié)同作用對基體、界面等的影響顯著，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和儲(chǔ)能模量均隨老化時(shí)間而降低。但目前還未有一個(gè)完全有效的人工加速老化試驗(yàn)方法來真實(shí)、準(zhǔn)確地模擬海洋自然環(huán)境各因素的作用[10,11]。

LT-EP/CF復(fù)合材料作為一種先進(jìn)改性復(fù)合材料，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大[12]，還沒有對其加速老化行為及失效機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究。有必要針對典型服役環(huán)境，有針對性地開展模擬海洋環(huán)境的濕熱、浸泡、鹽霧等單因素實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)，積累LT-EP/CF復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)老化數(shù)據(jù)，性能變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 LT-EP/CF復(fù)合材料性能試驗(yàn)

材料：1）樹脂：所用樹脂為中低溫固化型環(huán)氧樹脂WP-B1261，惠柏新材料科技股份有限公司。2）纖維：T700-12K碳纖維，中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司。3）EP/CF預(yù)浸料：江蘇澳盛復(fù)合材料科技有限公司。

試驗(yàn)樣品：采用真空袋壓成型工藝，制備LT-EP/CF復(fù)合材料平板。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為均衡對稱層合板形式，成0/90°正交鋪設(shè)，表面鋪設(shè)±45°共4層。LT-EP/CF復(fù)合材料平板厚度4 mm。試驗(yàn)成型溫度控制：60℃固化2 h，90℃固化3 h，降溫2 h。

試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備：按照GB/T 1447-2005和GB/T 1449-2005對LT-EP/CF復(fù)合材料試樣的拉伸性能和彎曲性能進(jìn)行測試。萬能電子試驗(yàn)機(jī)：RGT-10A 型萬能電子試驗(yàn)機(jī)。

圖1 LT-EP/CF復(fù)合材料成型工藝及試樣

1.2 耐海洋環(huán)境老化性能試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：按照GJB 150.9A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第9部分:濕熱試驗(yàn)》和GJB 150.11A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第11部分:鹽霧試驗(yàn)》對LT-EP/CF復(fù)合材料試樣進(jìn)行老化試驗(yàn)。試樣經(jīng)老化試驗(yàn)后每間隔5天進(jìn)行測試，按照GB/T 1447-2005和GB/T 1449-2005對LT-EP/CF復(fù)合材料試樣的拉伸性能和彎曲性能進(jìn)行測試。對老化10d的拉伸試樣進(jìn)行掃描電鏡，觀察斷面的纖維與基體界面情況。

試驗(yàn)設(shè)備:RGT-10A 型萬能電子試驗(yàn)機(jī)，中機(jī)儀器有限公司。SH050A型濕熱試驗(yàn)箱，重慶銀河試驗(yàn)儀器有限公司。FQY-025 氣流式鹽霧老化試驗(yàn)箱，上海試驗(yàn)機(jī)廠有限公司。

表1 環(huán)境試驗(yàn)箱及試驗(yàn)條件

表2 濕熱循環(huán)試驗(yàn)條件

表3 鹽霧循環(huán)試驗(yàn)條件

2 結(jié)果及分析

2.1 LT-EP/CF復(fù)合材料濕熱老化前后的力學(xué)性能

LT-EP/CF復(fù)合材料經(jīng)濕熱試驗(yàn)后，測試?yán)?、彎曲?qiáng)度，測試結(jié)果列于表4。

試驗(yàn)以24 h為一個(gè)循環(huán)周期，最少進(jìn)行10個(gè)周期。一般10個(gè)周期足以展現(xiàn)濕熱環(huán)境對大多數(shù)裝備的潛在影響。如圖2和圖3所示，LT-EP/CF復(fù)合材料濕熱老化后，彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度在前10個(gè)周期較快速下降，后期性能下降速率明顯減慢，趨于平緩；拉伸模量受濕熱老化影響較小。濕熱老化10個(gè)周期后，彎曲強(qiáng)度保留率93.00%，拉伸強(qiáng)度保留率95.35%；濕熱老化經(jīng)30個(gè)周期后，彎曲強(qiáng)度保留率87.62%，拉伸強(qiáng)度保留率94.33%。濕熱老化10個(gè)周期后，彎曲模量保留率94.61%，拉伸模量保留率96.23%；濕熱老化30個(gè)周期后，彎曲模量保留率89.45%，拉伸模量保留率95.77%。濕熱老化經(jīng)30個(gè)周期后，強(qiáng)度和模量保留率仍≥85%，滿足大多數(shù)裝備的設(shè)計(jì)壽命。

圖3 LT-EP/CF復(fù)合材料濕熱老化拉伸性能測試結(jié)果

2.2 LT-EP/CF復(fù)合材料鹽霧老化前后的力學(xué)性能

LT-EP/CF復(fù)合材料經(jīng)濕熱試驗(yàn)后，測試?yán)?、彎曲?qiáng)度，測試結(jié)果列于表5。

圖2 LT-EP/CF復(fù)合材料濕熱老化彎曲性能測試結(jié)果

表4 LT-EP/CF復(fù)合材料濕熱老化前后力學(xué)性能(MPa)

本試驗(yàn)推薦使用交替進(jìn)行的24 h噴鹽霧和24 h干燥兩種狀態(tài)共10 d(2個(gè)噴霧濕潤階段和2個(gè)干燥階段）的試驗(yàn)程序。經(jīng)驗(yàn)證明，這種交變方式和試驗(yàn)時(shí)間，能提供比連續(xù)噴霧10 d更接近真實(shí)暴露情況的鹽霧試驗(yàn)結(jié)果，并具有更大的潛在破壞性，因?yàn)樵趶臐駶櫊顟B(tài)到干燥狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中，腐蝕速率更高。如圖4和圖5所示，LT-EP/CF復(fù)合材料經(jīng)鹽霧老化后，彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度在前10 d較快速下降，后期性能下降速率明顯減慢，趨于平緩；彎曲模量和拉伸模量受老化影響較小。鹽霧老化10 d后，彎曲強(qiáng)度保留率90.08%，拉伸強(qiáng)度保留率90.92%；鹽霧老化30 d后，彎曲強(qiáng)度保留率86.22%，拉伸強(qiáng)度保留率88.56%。鹽霧老化10d后，彎曲模量保留率104%，拉伸模量保留率98.28%；鹽霧老化30d后，彎曲模量保留率90.40%，拉伸模量保留率95.25%。鹽霧老化30 d后，強(qiáng)度和模量保留率仍≥85%，滿足大多數(shù)裝備耐受腐蝕環(huán)境的要求。

表5 LT-EP/CF復(fù)合材料鹽霧老化前后力學(xué)性能

圖4 LT-EP/CF復(fù)合材料鹽霧老化彎曲性能測試結(jié)果

圖5 LT-EP/CF復(fù)合材料鹽霧老化拉伸性能測試結(jié)果

2.3 LT-EP/CF復(fù)合材料老化機(jī)理分析

濕熱老化初期，LT-EP/CF復(fù)合材料力學(xué)性能呈上升趨勢；第5～10個(gè)循環(huán)周期中力學(xué)性能快速降低；后期力學(xué)性能緩慢下降。濕熱老化初期，溫度和濕度對材料性能的影響主要有兩個(gè)方面：一方面,濕氣的滲透破壞了基體的化學(xué)鍵，當(dāng)纖維受力后,基體的傳遞載荷作用降低，復(fù)合材料強(qiáng)度下降；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，兩種作用的綜合結(jié)果是使材料力學(xué)性能出現(xiàn)起伏。濕熱老化中期，基體和界面性能逐漸下降，基體對纖維的包裹程度降低，復(fù)合材料強(qiáng)度下降，如圖6(a)所示。濕熱老化10個(gè)周期后，彎曲強(qiáng)度受界面性能影響更大，彎曲強(qiáng)度保留率為93.00%，拉伸強(qiáng)度主要靠纖維強(qiáng)度主宰，拉伸強(qiáng)度保留率為95.35%。濕熱老化后期，滲透率趨于平衡，性能下降速率明顯減緩。

鹽霧老化對樹脂與纖維的界面強(qiáng)度影響不大，拉伸破壞后，纖維表面包裹大量的樹脂，如圖6（b）所示。鹽霧老化后，破壞形式以層間破壞為主，層間破壞面積較大于濕熱老化破壞面積，表明鹽霧老化主要破壞基體性能。鹽霧老化10 d后，彎曲強(qiáng)度保留率為90.08%，拉伸強(qiáng)度保留率為90.92%,強(qiáng)度下降相較于濕熱老化更嚴(yán)重。

圖6 老化10d后拉伸破壞掃描電鏡圖

3 結(jié)論

本文采用中低溫固化環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料，制備了LT-EP/CF復(fù)合材料平板，進(jìn)行了濕熱老化和鹽霧老化試驗(yàn)，對老化后的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量以及拉伸強(qiáng)度、拉伸模量進(jìn)行了測試，主要結(jié)論如下：

1）濕熱老化10個(gè)周期后，彎曲強(qiáng)度受界面性能影響更大，彎曲強(qiáng)度保留率為93.00%，拉伸強(qiáng)度主要靠纖維強(qiáng)度主宰，拉伸強(qiáng)度保留率為95.35%。濕熱老化后期，滲透率趨于平衡，性能下降速率明顯減緩。濕熱老化30個(gè)周期后，彎曲模量保留率89.45%，拉伸模量保留率95.77%。濕熱老化經(jīng)30個(gè)周期后，強(qiáng)度和模量保留率仍≥85%，滿足大多數(shù)裝備的設(shè)計(jì)壽命。

2）鹽霧老化后，試樣的破壞形式以層間破壞為主，主要破壞基體性能。鹽霧老化10 d后，彎曲強(qiáng)度保留率為90.08%，拉伸強(qiáng)度保留率為90.92%,強(qiáng)度下降相較于濕熱老化更嚴(yán)重。鹽霧老化30 d后，彎曲模量保留率90.40%，拉伸模量保留率95.25%。鹽霧老化30 d后，強(qiáng)度和模量保留率仍≥85%，滿足大多數(shù)裝備耐受腐蝕環(huán)境的要求。

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Aging performance of medium-low temperature curing epoxy composites

Han Xia1,2, Yang Lijun2, Liu Jing1,2, Jiang Jin1,2, Hua Jifang1,2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Hubei Greatsea New Power Technology Co., Ltd., Huanggang 438011, China)

TB33

A

1003-4862（2022）10-0159-03

2022-07-28

韓霞（1994-），女，工程師。研究方向：新材料應(yīng)用。E-mail: 13517278659@163.com