燃油浸潤(rùn)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

摘 要 為研究燃油浸潤(rùn)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，本文選取三批次T800級(jí)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行了為期6個(gè)月的燃油浸潤(rùn)試驗(yàn)，對(duì)比了浸潤(rùn)前后材料在室溫和82 ℃高溫下的0°拉伸、0°壓縮、90°拉伸、90°壓縮、面內(nèi)剪切和短梁剪切的力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：燃油浸潤(rùn)6個(gè)月后試樣吸油率仍在持續(xù)增加，沒有達(dá)到飽和。由于燃油對(duì)復(fù)合材料纖維、基體和纖維/基體界面的不同影響，燃油浸潤(rùn)后復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度略有提高，0°壓縮、90°拉伸、90°壓縮強(qiáng)度顯著降低，剪切強(qiáng)度在室溫下變化不大，而在高溫下明顯降低。

關(guān)鍵詞 碳纖維復(fù)合材料；燃油浸潤(rùn)；力學(xué)性能；液體敏感性

Effect of Fuel Infiltration on Mechanical Properties of

Carbon Fiber Reinforced Composites

WU Yang， XU Fei

（National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Aircraft Strength Research

Institute of China，Xi’an 710065）

ABSTRACT In order to study the effect of fuel infiltration on the mechanical properties of carbon fiber reinforced composites， three batched of T800 carbon fiber reinforced epoxy resin matrix composites were selected for a six-month fuel infiltration test. The mechanical properties of 0° tensile， 0° compression， 90° tensile， 90° compression， in-plane shear and short beam shear before and after wetting were compared at room temperature and 82 ℃. The results showed that the oil absorption rate of the sample continued to increase after 6 months of fuel infiltration， and did not reach saturation. Due to the different effects of fuel on fiber， matrix and fiber/matrix interface， the 0° tensile strength of composites is slightly increased after fuel oil infiltration， and the 0° compress， 90° tensile， 90° compression strengths are significantly reduced. The shear strength changes little at room temperature， but significantly decreased at high temperature.

KEYWORDS carbon fiber composites; fuel infiltration; mechanical properties; liquid sensitivity

1 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其比強(qiáng)度、比模量高、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，抗疲勞和耐腐蝕性好等優(yōu)異性能，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造水平的提升，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用已逐漸從飛機(jī)次承力結(jié)構(gòu)擴(kuò)展至主承力結(jié)構(gòu)上，使得飛機(jī)減重25 %～50 %，大大提高了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)性［2］。盡管碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，但在飛機(jī)服役過程中，復(fù)合材料長(zhǎng)期接觸航空煤油、液壓油、潤(rùn)滑油等化學(xué)介質(zhì)，導(dǎo)致其材料老化和性能退化，給飛機(jī)結(jié)構(gòu)帶來一定風(fēng)險(xiǎn)［3，4］。

隨著碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在飛機(jī)油箱、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等部位的普遍應(yīng)用，化學(xué)介質(zhì)對(duì)復(fù)合材料性能的影響受到普遍關(guān)注。張曉云等研究了T700/5224復(fù)合材料在15#液壓油、4010#滑油、RP-3航空煤油和AHC-1清洗劑4種飛機(jī)上常用的化學(xué)介質(zhì)中的老化行為，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)老化對(duì)材料彎曲和剪切性能影響不大［5］；王夏涵等對(duì)比了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油、潤(rùn)滑油、液壓油和溶劑對(duì)T300級(jí)樹脂基復(fù)合材料短梁強(qiáng)度、開孔壓縮強(qiáng)度和剪切性能的影響，結(jié)果表明腐蝕性流體常溫下對(duì)性能影響不大，而在280℃高溫下帶來的性能退化更為顯著［6］；淳道勇等研究了T800級(jí)碳纖維/聚酰亞胺復(fù)合材料4種液體浸泡后的典型力學(xué)性能變化，發(fā)現(xiàn)蒸餾水、人工海水對(duì)層間剪切性能影響較大，蒸餾水、航空燃油、人工海水對(duì)高溫開孔壓縮性能影響較大［7］。這些研究都在一定程度上推動(dòng)了對(duì)復(fù)合材料液體敏感性的認(rèn)識(shí)，然而受試驗(yàn)成本和條件限制，多數(shù)研究仍集中在濕熱環(huán)境對(duì)復(fù)合材料性能的影響，且多針對(duì)復(fù)合材料剪切、彎曲等部分力學(xué)性能，沒有對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行全面的試驗(yàn)研究，同時(shí)浸泡時(shí)間多在1000h以內(nèi)，無法滿足油箱等長(zhǎng)期接觸液體介質(zhì)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的實(shí)際考核需求［8，9］。

本文以T800級(jí)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料為研究對(duì)象，系統(tǒng)對(duì)比了航空燃油浸潤(rùn)6個(gè)月后0°拉伸、0°壓縮、90°拉伸、90°壓縮、面內(nèi)剪切和短梁強(qiáng)度的力學(xué)性能在室溫和82 ℃高溫下的變化，并分析了其失效模式及性能變化機(jī)理，為飛機(jī)油箱等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與考核提供技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試樣

試驗(yàn)件所用材料為T800級(jí)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料。試驗(yàn)件鋪層及尺寸如表1所示。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為燃油浸潤(rùn)試驗(yàn)和力學(xué)性能測(cè)試。浸潤(rùn)介質(zhì)選用RP-3航油，燃油浸潤(rùn)試驗(yàn)開始前，將所有試件置于70 ℃烘箱中烘干24小時(shí)。取出降至室溫后記錄伴隨件初始重量。隨后將伴隨件及力學(xué)性能測(cè)試試件浸沒在燃油中，放置于23 ℃室溫環(huán)境下。每7天取出伴隨件，用濾紙擦干伴隨件表面，使用賽多利斯BSA224S分析天平在1小時(shí)內(nèi)稱重記錄伴隨件重量，隨后重新浸入燃油中。燃油浸潤(rùn)6個(gè)月后取出試件。所有力學(xué)性能測(cè)試在取出后14天內(nèi)完成。

室溫和高溫力學(xué)性能測(cè)試分別在23 ℃±2 ℃和82 ℃±3 ℃下進(jìn)行，各類型試驗(yàn)依據(jù)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，試驗(yàn)均使用INSTRON試驗(yàn)機(jī)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)于0°拉伸、0°壓縮等纖維控制的力學(xué)性能，在計(jì)算強(qiáng)度及模量時(shí)進(jìn)行正則化處理，將實(shí)際厚度修正到名義厚度，使得纖維控制的性能數(shù)據(jù)修正到一個(gè)公共纖維體積含量基礎(chǔ)上。

所有性能測(cè)試結(jié)果均取三批次試樣測(cè)試結(jié)果的平均值。為了便于分析比較，對(duì)每項(xiàng)性能以及在室溫下未浸潤(rùn)試樣該性能三批測(cè)試結(jié)果的平均值為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算性能保持率。

3 結(jié)果與討論

3.1 燃油浸潤(rùn)試驗(yàn)結(jié)果

伴隨件浸潤(rùn)于燃油6個(gè)月后，不同層數(shù)伴隨件吸油率均小于0.1 %，且吸油率在持續(xù)增加，浸潤(rùn)曲線斜率未出現(xiàn)變緩趨勢(shì)，燃油浸潤(rùn)沒有達(dá)到飽和。以碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料加速吸濕曲線為參照，浸潤(rùn)6個(gè)月后試樣吸油率遠(yuǎn)小于吸濕平衡時(shí)的吸水率（0.5 %）［10］。同時(shí)對(duì)比不同鋪層試驗(yàn)件，浸潤(rùn)6個(gè)月后，伴隨件層數(shù)越少，其吸油率越高，如圖1所示。

3.2 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

燃油浸潤(rùn)前后復(fù)合材料0°拉伸及0°壓縮強(qiáng)度保持率如圖2所示。由圖2（a）可知，23 ℃下燃油浸潤(rùn)后0°拉伸強(qiáng)度提高4 %，82 ℃下0°拉伸強(qiáng)度提高2 %。復(fù)合材料0°拉伸強(qiáng)度主要由纖維控制，同時(shí)受基體及界面性能影響。碳纖維主要以晶體形式存在，燃油對(duì)其性能的影響可以忽略，而樹脂基體在燃油浸潤(rùn)后的溶脹松弛使得復(fù)合材料固化過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得以釋放，進(jìn)而更有效地傳遞載荷，0°拉伸性能得到提高［11］。由圖2（b）可知，23 ℃下燃油浸潤(rùn)后0°壓縮強(qiáng)度降低11.2 %，82 ℃下0°壓縮強(qiáng)度降低7.8 %。0°壓縮強(qiáng)度雖然同樣受纖維控制，但基體對(duì)其影響遠(yuǎn)大于0°拉伸性能。燃油浸潤(rùn)導(dǎo)致樹脂基體溶脹塑化，模量下降，支撐作用變?nèi)?，使?°壓縮性能顯著降低［12］。對(duì)于樹脂基體，加熱對(duì)聚合物分子存在于燃油浸潤(rùn)類似的松弛作用，82 ℃下燃油浸潤(rùn)前后性能變化程度略小于23 ℃。

燃油浸潤(rùn)后，90°拉伸室溫強(qiáng)度降低6.7 %，高溫強(qiáng)度降低5.5 %。90°拉伸強(qiáng)度主要由基體和界面控制，燃油對(duì)于樹脂基體的溶脹和增塑作用使得基體軟化，造成90°拉伸性能的降低，如圖3（a）所示。同樣是主要由基體控制的性能，燃油浸潤(rùn)后90°壓縮室溫強(qiáng)度降低3.3 %，高溫強(qiáng)度降低1.4 %，如圖3（b）所示。

對(duì)比燃油浸潤(rùn)前后90°壓縮試驗(yàn)過程中背對(duì)背應(yīng)變的彎曲百分比可以看出，未浸潤(rùn)燃油試樣壓縮加載過程中，試樣幾乎未發(fā)生彎曲，彎曲百分比穩(wěn)定保持在1 %以內(nèi)。接近破壞時(shí)彎曲百分比略有增加，但仍小于5 %。而燃油浸潤(rùn)后樹脂軟化承載能力下降，使得壓縮過程中彎曲百分比持續(xù)增加，最終破壞時(shí)彎曲百分比已接近30 %，如圖4所示。

面內(nèi)剪切強(qiáng)度主要反映纖維/基體界面性能。燃油浸潤(rùn)后碳纖維無變化，而樹脂基體發(fā)生溶脹，使得纖維/基體界面產(chǎn)生剪切應(yīng)力，界面性能降低。界面剪切應(yīng)力的大小與試驗(yàn)吸油率相關(guān)［13］。由圖1可知，浸潤(rùn)6個(gè)月后試驗(yàn)件吸油率較小，室溫下未對(duì)界面性能產(chǎn)生明顯影響，試驗(yàn)剪切強(qiáng)度未發(fā)生變化。溫度的升高則提高了燃油的擴(kuò)散速度，對(duì)界面產(chǎn)生了較大影響，82 ℃下剪切強(qiáng)度降低5.5 %，燃油浸潤(rùn)前后面內(nèi)剪切性能變化如圖5所示。

燃油浸潤(rùn)前后短梁強(qiáng)度保持率如圖6（a）所示，試驗(yàn)件失效模式如圖6（b）所示。室溫下未浸潤(rùn)燃油試樣失效模式為層間剪切，燃油浸潤(rùn)后試樣失效模式為非彈性變形，此時(shí)的短梁強(qiáng)度值已無法互相比較。在82 ℃下，燃油浸潤(rùn)前后試驗(yàn)件失效模式均為非彈性變形，短梁強(qiáng)度降低9.6 %。這些變化均是由于燃油的增塑作用導(dǎo)致的樹脂基體軟化。

燃油浸潤(rùn)前后材料模量保持率如表2所示。室溫和高溫下0°拉伸及0°壓縮模量燃油浸潤(rùn)前后未發(fā)生明顯變化，穩(wěn)定的碳纖維在其中起到了決定性作用［13］。90°拉伸及90°壓縮模量在高溫下模量顯著下降，但燃油浸潤(rùn)對(duì)其模量沒有明顯的影響。對(duì)于面內(nèi)剪切模量，室溫下燃油浸潤(rùn)前后剪切模量未發(fā)生明顯變化，而在82 ℃高溫下剪切模量相對(duì)室溫明顯降低，且燃油浸潤(rùn)后模量進(jìn)一步降低6.5 %。

4 結(jié)語

（1）常溫環(huán)境下，T800級(jí)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在航空燃油中浸潤(rùn)6個(gè)月后試樣吸油率小于0.1 %，試驗(yàn)件層數(shù)越少，吸油率越高；

（2）燃油浸潤(rùn)6個(gè)月，復(fù)合材料各項(xiàng)力學(xué)性能表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)：受纖維性能控制的縱向拉伸強(qiáng)度略有提高，與基體性能相關(guān)的縱向壓縮強(qiáng)度及橫向拉伸、壓縮強(qiáng)度顯著降低，反映界面性能的剪切強(qiáng)度在室溫下變化不大，而在高溫下明顯降低，燃油浸潤(rùn)后，高溫下的短梁強(qiáng)度明顯下降，而室溫下的破壞模式完全不同；

（3）室溫和高溫下，燃油浸潤(rùn)對(duì)復(fù)合材料縱向和橫向的拉伸及壓縮模量均沒有顯著影響，剪切模量在燃油浸潤(rùn)后在室溫下變化不大，而在高溫下顯著降低。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007，24（1） ：1-12.

［2］中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)：第五卷［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988：211-322.

［3］劉淑峰，程小全，包建文.濕熱環(huán)境對(duì)樹脂基復(fù)合材料性能影響的分析［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2014，30（9）：183-190.

［4］焦亦彬，孟慶杰，李洋，等.聚酰亞胺纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料工藝性及其復(fù)合材料破壞機(jī)制研究［J］.纖維復(fù)合材料，2023，40（3）：35-39.

［5］張曉云，曹東，陸峰，等.T700/5224復(fù)合材料在濕熱環(huán)境和化學(xué)介質(zhì)中的老化行為［J］.材料工程，2016，44（4）：82-88.

［6］王夏涵，楊勝春，弓云昭.T300級(jí)樹脂基復(fù)合材料液體敏感性研究［J］.工程與試驗(yàn)，2020，60（4）：34-36.

［7］淳道勇，付善龍，劉鑫.國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維/聚酰亞胺復(fù)合材料耐環(huán)境性能研究［J］.失效分析與預(yù)防，2023，18（6）：380-386.

［8］李佳楠，姜亞明，項(xiàng)赫，等.高性能碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料濕熱老化研究進(jìn)展［J］.化工新型材料，2024，52（1）：1-7.

［9］王巖，李樹茂，景磊，等.T800碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料老化性能研究［J］.纖維復(fù)合材料，2020，37（2）：12-15.

［10］方毅.濕熱老化對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂板材拉伸疲勞性能的影響［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

［11］張代軍，劉剛，包建文，等.T700碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料自然老化性能與機(jī)制［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2016，33（7）：1390-1399.

［12］辛東嶸.濕熱環(huán)境中環(huán)氧樹脂力學(xué)性能和界面破壞機(jī)理研究［D］.華南理工大學(xué)，2014.

［13］陳達(dá)，肇研，羅云峰，等.濕熱環(huán)境下復(fù)合材料的界面性能［J］.材料科學(xué)與工藝，2012，20（6）：1-6.