復(fù)合材料壽命預(yù)測方法研究

費(fèi)楚然，王 偉

(中廣核高新核材科技(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215435)

復(fù)合材料作為增強(qiáng)材料，在實(shí)際使用過程中會發(fā)生不可避免的老化，隨著老化程度的積累，將對其本身使用性能造成影響。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能、抗疲勞性能優(yōu)異、高溫性能優(yōu)良和可設(shè)計性佳等優(yōu)點(diǎn)，但同時也有一些缺點(diǎn)，在服役環(huán)境下(如紫外光光輻射、溫度、濕度、鹽霧等)其性能易于惡化。在單一或多個環(huán)境因素綜合的影響下均會導(dǎo)致纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的性能發(fā)生變化[5]。在該環(huán)境因素的影響下導(dǎo)致基體、纖維或纖維/基體界面發(fā)生變化或破壞[6]。如在機(jī)械沖擊、機(jī)械振動、應(yīng)力、紫外光光輻射、溫度、濕度、酸、堿、鹽溶液和有機(jī)化合物作用下導(dǎo)致復(fù)合材料的纖維/基體界面發(fā)生變化或破壞[7]，導(dǎo)致復(fù)合材料使用壽命或者性能下降。

對于材料某個特定的性能參量，如材料強(qiáng)度，可能隨著使用時間的增加，性能逐漸下降，也有可能在沒有任何征兆的情況下大幅下降。環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致了材料強(qiáng)度老化的難以預(yù)測，給實(shí)際使用帶來了巨大的風(fēng)險。

因此，研究不同環(huán)境因素對復(fù)合材料性能影響的規(guī)律和機(jī)理[8]對其可靠性的評價非常重要，也將直接影響復(fù)合材料使用壽命的判斷。

1 壽命評價方法與原理

1.1 老化終止性能指標(biāo)的選擇

聚合物基復(fù)合材料在實(shí)際使用過程中，作為增強(qiáng)材料，一直處于持續(xù)載荷狀態(tài)，對其力學(xué)性能有著嚴(yán)格的要求。但，對于聚合物基復(fù)合材料而言，碳纖維和玻璃纖維耐老化性能遠(yuǎn)超過高分子聚合物，因此其老化主要表現(xiàn)為高分子聚合物的老化以及基體與增強(qiáng)纖維之間界面的破壞，在基體與增強(qiáng)纖維之間的界面未破壞前，即老化尚未通過纖維通道或基體中的細(xì)微通道對纖維表面或附近的基體產(chǎn)生脫離作用，拉伸強(qiáng)度可能變化不大。但與聚合物性能密切相關(guān)的彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度以及Tg等可能較快的產(chǎn)生變化，可以比較直觀的反映出來老化作用。

1.2 半經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型

俄羅斯全俄航空材料研究院的Г.M.古尼耶夫等通過對復(fù)合材料的自然老化壽命研究，得出復(fù)合材料強(qiáng)度變化的半經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型[9-10]可用式(1)描述：

S=S0+η[1-exp(-λt)]-βln(1+αt)

(1)

式中:S——表示老化t小時后復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度，MPa

S0——表示復(fù)合材料的初始強(qiáng)度，MPa

η——表示復(fù)合材料的固化程度參數(shù)

λ——表示復(fù)合材料材料和外部環(huán)境參數(shù)

t——表示老化作用時間，h

β——表示復(fù)合材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力參數(shù)

α——表示外部環(huán)境侵的蝕性系數(shù)

通過對式(1)分析研究，發(fā)現(xiàn)只采用單一的宏觀參數(shù)α來表示環(huán)境中不同老化因素對復(fù)合材料性能的影響，不僅不能夠反映實(shí)際老化環(huán)境不同因素的變化，也不能體現(xiàn)出復(fù)合材料在實(shí)際服役環(huán)境中受各個主要老化因素的影響，使得式(1)在復(fù)合材料老化環(huán)境中的使用受到局限。

影響復(fù)合材料的老化因素有很多，如紫外線、溫度、濕度酸、堿、鹽溶液和有機(jī)化合物等。在考慮復(fù)合材料工作環(huán)境中的主要老化影響因素的條件下，提出復(fù)合材料的老化剩余壽命(強(qiáng)度)預(yù)測公式：

S=S1-ΣAiln[1+Bit(xi)](i=1,2,……)[9]

(2)

式中:S——復(fù)合材料老化一定時間后的剩余強(qiáng)度

S1=S0+ΔS

S0——復(fù)合材料的初始強(qiáng)度值

ΔS——復(fù)合材料后固化的增強(qiáng)項

xi——環(huán)境老化因素

Ai——復(fù)合材料在一定環(huán)境老化譜下的老化因素xi

Bi——復(fù)合材料對老化因素xi的抗老化能力參數(shù)

t(xi)——老化因素xi的等效當(dāng)量的老化時間，表示式為：

(3)

由于式(1)和式(2)所給出的是復(fù)合材料剩余強(qiáng)度的均值，其曲線是中值曲線，即它的可靠度為50%[2]，也就是說復(fù)合材料老化后，其老化剩余強(qiáng)度有一半大于求出的值，一半小于這個值[18]，這對于工程設(shè)計及應(yīng)用的意義不是很大[11]。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要用到的是老化剩余強(qiáng)度的A基值(對應(yīng)于95%置信度、99%可靠度的老化剩余強(qiáng)度最小值[1,5])和B基值(對應(yīng)于95%置信度、90%可靠度的老化剩余強(qiáng)度最小值[1,5])，以及估算復(fù)合材料高置信度、高可靠度老化壽命的方法[12，17]。因此，式(1)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

SR=S’-βln(1+αt)-KR(t)σ

(4)

式中:SR——置信度為γ、可靠度為R的老化剩余強(qiáng)度，MPa

KR(t)——置信度為γ、可靠度為R的二維單側(cè)容限系數(shù)[19-20]

σ——老化剩余強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差

2 模型參數(shù)的確定

2.1 單因子老化模型參數(shù)的確定

在預(yù)測性的建模方面經(jīng)常使用回歸分析的方法[15]，通過利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計原理，對大量單因子老化實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，從而來確定單因子變量與復(fù)合材料給定的性能的相關(guān)關(guān)系，以加速老化后的強(qiáng)度為S值，通過擬合得到各單因子老化的模型參數(shù)。這樣求出的參數(shù)與真實(shí)值較為相近，使用此種方法不僅能夠充分利用各個時間下的老化試驗數(shù)據(jù)，而且所求得的參數(shù)相對準(zhǔn)確。

2.2 多因子老化模型參數(shù)的確定

經(jīng)過多因子共同老化，得到老化結(jié)果，并對老化后的強(qiáng)度進(jìn)行擬合，得到各因子影響效應(yīng)參數(shù)。

2.3 環(huán)境當(dāng)量的確定

為了有效獲得實(shí)際環(huán)境條件與加速老化條件的有效轉(zhuǎn)換，必須獲得有效的環(huán)境當(dāng)量[13]計算公式。因此，需要進(jìn)行不同各個單因子老化不同加速老化條件下的加速老化試驗，并以最優(yōu)的失效性能[14]得到不用條件下的曲線模型。比較分析不同條件下的曲線模型，得到環(huán)境當(dāng)量的換算公式。

考慮到加速老化與環(huán)境老化的關(guān)系，引入環(huán)境當(dāng)量K1、K2、K3，分別為:

(6)

(7)

(8)

式中:K1、K2、K3——高溫、濕熱、鹽霧老化環(huán)境當(dāng)量

t1、t2、t3、t4、t5、t6——加熱高溫老化、環(huán)境溫度下、高溫濕熱、環(huán)境濕熱、紫外加速老化、環(huán)境紫外老化時間

T1、T2、T3、T4——加熱高溫老化、環(huán)境溫度下、高溫濕熱、環(huán)境濕熱溫度

φ3、φ4——高溫濕熱、環(huán)境濕熱濕度

U5、U6——外加速老化、環(huán)境鹽霧濃度

C1、C2、C3——高溫、濕熱、鹽霧老化試驗系數(shù)

根據(jù)試驗，得到環(huán)境當(dāng)量中高溫、濕熱、鹽霧老化試驗系數(shù)。

2.4 實(shí)際使用壽命的預(yù)估

對于原始未經(jīng)使用的復(fù)合材料，我們可以通過測定其強(qiáng)度S0，以70%S0為失效點(diǎn)S(或測定Tg，以長期使用溫度+15 ℃作為失效點(diǎn))，并預(yù)估其實(shí)際使用中的溫度、濕度、鹽霧濃度等往年同期總量，代入式(5)來預(yù)測其使用壽命。

而對于已經(jīng)使用過一段時間(t)的復(fù)合材料，想要估算其剩余壽命，可以采取相似的方法：如前所述，取S1=S0+ΔS，S0為初始強(qiáng)度值，ΔS為材料后固化增強(qiáng)項[16]，二者均為定值，其中S0可以取原始復(fù)合材料直接測出，根據(jù)擬合得到的S1值，我們可以計算得到ΔS，此時可以上式略加改動，改變初始條件，即變?yōu)镾2=St+ΔS，其中，St通過實(shí)際測試得到，同樣取70%S0為失效點(diǎn)，代入式(8)即可預(yù)測該復(fù)合材料的剩余使用壽命。

3 實(shí)驗研究方案

在試驗中，應(yīng)該選擇一個合理的失效性能作為檢測手段，因此，首先應(yīng)分別進(jìn)行高溫、濕熱、鹽霧等的單因子老化試驗，并對不同時間的樣品進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、Tg、壓縮強(qiáng)度等性能的檢測，觀察各種性能的變化趨勢，選擇最優(yōu)的失效性能進(jìn)行研究。同時，根據(jù)最優(yōu)的失效性能，通過擬合得到單因子老化的曲線模型。加速老化無需達(dá)到最終的70%的失效點(diǎn)，只需得到一個有效的曲線模型。單因子老化相對多因子老化試驗增加紫外光老化，觀察其老化情況。

3.1 高溫老化試驗

高溫老化試驗，采用高溫試驗箱進(jìn)行，分為三個不同的溫度進(jìn)行，分別為120 ℃、160 ℃和200 ℃。樣品為同一批次同一工藝條件下的復(fù)合材料，每組復(fù)合材料樣品，老化試樣取樣間隔500 h，預(yù)計最長老化時間5000 h。

3.1.1 高溫老化實(shí)驗試樣的測試

由于復(fù)合材料在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，處于受力狀態(tài)，因此，首先考慮復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)。其次，復(fù)合材料在使用當(dāng)中，由于使用環(huán)境溫度的的影響，為保證復(fù)合材料的安全運(yùn)行，復(fù)合材料的Tg不能太低，因此需要對復(fù)合材料的Tg進(jìn)行測試。另為更好的反映復(fù)合材料的老化變化，補(bǔ)充測試復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度。

(1)抗拉強(qiáng)度

根據(jù)ISO 527-5:2009 《塑料·拉伸性能的測定.第5部分:單向纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合物的試驗條件》中拉伸強(qiáng)度的測試規(guī)定，采用(2.0±0.2) mm/min測試速度進(jìn)行測試。

(2)Tg

按ISO 11357-2:2020《塑料·差示掃描量熱法(DSC).第2部分:玻璃轉(zhuǎn)變溫度和斷差膜厚的測定》中玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測試的規(guī)定，采用半高法方法進(jìn)行測試，測試條件20 K/min。

(3)彎曲強(qiáng)度

按照ISO 14125:1998《纖維加強(qiáng)的塑料復(fù)合物彎曲性能的測定》的規(guī)定，采用四點(diǎn)彎的方法進(jìn)行測試。

(4)壓縮強(qiáng)度

按照ISO 14126:1999 《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料平面方向壓縮性的測定》中平面方向壓縮性測試的規(guī)定，采用(1.0±0.2)mm/min測試速度進(jìn)行測試。

3.1.2 高溫老化實(shí)驗數(shù)據(jù)的處理

每一組的高溫老化實(shí)驗的測試數(shù)據(jù)根據(jù)等式S=S1-βln(1+αt)進(jìn)行百分回歸擬合，得到相關(guān)的S1、α、β。預(yù)計得到相關(guān)模型在6個以上。后分析不同實(shí)驗條件下的模型，得到運(yùn)行環(huán)境下的模型。后根據(jù)運(yùn)行環(huán)境下的模型得到在單獨(dú)高溫老化下復(fù)合材料的使用壽命。

3.2 濕熱老化試驗

濕熱老化試驗，采用濕熱試驗箱進(jìn)行，分為三個不同的條件進(jìn)行40 ℃+90%濕度、60 ℃+90%濕度、80 ℃+90%濕度。樣品為同一批次同一工藝條件下的復(fù)合材料樣品，每組試樣，老化試樣取樣間隔500 h，預(yù)計最長老化時間5000 h[8]。

3.2.1 濕熱老化實(shí)驗試樣的測試

濕熱老化實(shí)驗試樣的測試，同3.1.1高溫老化試樣的測試，分別測試抗拉強(qiáng)度、Tg、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度。

3.2.2 濕熱老化實(shí)驗數(shù)據(jù)的處理

每一組的濕熱老化實(shí)驗的測試數(shù)據(jù)根據(jù)等式S=S1-βln(1+αt)進(jìn)行百分回歸擬合，得到相關(guān)的S1、α、β。預(yù)計得到相關(guān)模型在6個以上。后分析不同實(shí)驗條件下的模型，得到運(yùn)行環(huán)境下的模型。后根據(jù)運(yùn)行環(huán)境下的模型得到在單獨(dú)濕熱老化下，復(fù)合材料的使用壽命。

3.3 鹽霧老化試驗

鹽霧老化試驗，采用鹽霧試驗箱進(jìn)行，只進(jìn)行一個條件下的老化實(shí)驗，即ISO 4611:2010。樣品為同一批次同一工藝條件下的復(fù)合材料，每組樣品，老化試樣取樣間隔500 h，預(yù)計最長老化時間5000 h。

3.3.1 鹽霧老化實(shí)驗試樣的測試

鹽霧老化實(shí)驗試樣的測試，同3.1.1高溫老化試樣的測試，分別測試抗拉強(qiáng)度、Tg、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度。

3.3.2 鹽霧老化實(shí)驗數(shù)據(jù)的處理

每一組的高溫老化實(shí)驗的測試數(shù)據(jù)根據(jù)等式S=S1-βln(1+αt)進(jìn)行百分回歸擬合，得到相關(guān)的S1、α、β，并以失效點(diǎn)進(jìn)行計算，得到在實(shí)驗條件下，復(fù)合材料的使用壽命。

4 結(jié) 論

使用本文提出的復(fù)合材料老化實(shí)驗方案，進(jìn)行老化模型參數(shù)確定，建立老化壽命預(yù)測模型，能夠比較全面的評估環(huán)境中不同老化因素(如光照、溫度、濕度、鹽霧等)對復(fù)合材料性能的影響，該方法不僅能夠比較全面的評估環(huán)境中不同老化因素對材料性能的影響，還能充分考慮了主要因素對材料實(shí)際使用壽命的影響。

使用本文提出的復(fù)合材料壽命預(yù)測模型方案，充分考慮了材料在實(shí)際環(huán)境中的單因子和多因子耦合情況下對材料壽命和性能的影響，對在自然環(huán)境中材料壽命預(yù)測和剩余性能預(yù)估的研究方面有很強(qiáng)的參考性。