循環(huán)濕熱環(huán)境對樹脂基復合材料彎曲性能的影響

張宇，郭盼盼，熊婕，黃峰，王波

（1.中國航空制造技術研究院復合材料技術中心，北京 101300；2.西北工業(yè)大學航空學院，陜西西安 710072）

碳纖維增強樹脂基復合材料以其輕質(zhì)高強、比模量和比強度高、力學性能優(yōu)良、可設計性好等優(yōu)點被廣泛應用于航空航天、船舶、汽車、新能源等國家生產(chǎn)和人民生活的諸多領域[1-2]。然而，作為結(jié)構(gòu)件在實際應用場景中，這些材料所處的環(huán)境通常存在許多復雜的濕熱極端因素。由于碳纖維和樹脂基體在吸濕后性能差異很大，復合材料內(nèi)部會產(chǎn)生濕熱殘余應力。這對樹脂基復合材料的應用產(chǎn)生了不可忽視的影響，嚴重影響了飛行器整體結(jié)構(gòu)的服役壽命[3-4]。

目前，國內(nèi)外研究者對諸多樹脂基復合材料的濕熱、力學性能變化規(guī)律與材料老化機制的研究取得了較多的成果，但對于循環(huán)濕熱試驗后樹脂基復合材料的彎曲力學性能的研究不夠豐富。此外，不同的樹脂基復合材料、濕熱環(huán)境下其力學性能變化規(guī)律與老化機理也不盡相同。因此，筆者開展了濕熱環(huán)境下單向鋪層以及織物鋪層樹脂基復合材料的彎曲力學性能研究，期望能夠為其應用帶來相關的實驗依據(jù)。

一、試驗材料與方法

（一）試驗材料

試驗材料有兩種，分別是單向帶制成的層合板試件和織物制成的層合板試件。其中，單向帶層合板試件尺寸長200mm，寬13mm，高4mm，鋪層形式為[0]32，織物層合板試件尺寸長200mm，寬13mm，高4.14mm，鋪層形式為[（0/90）]18。

（二）循環(huán)濕熱試驗

單向帶制成的層合板和織物制成的復合材料試件均有35件，兩類試件均分成7組，每組5個試件。其中，原始狀態(tài)試件1組，濕熱循環(huán)試件6組。本研究參照GJB150.9A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第9部分：濕熱試驗》標準中的方法對試件組分別進行濕熱試驗。濕熱試驗時，筆者將試件放入WHTM-1000D高低溫交變濕熱試驗箱，以24h為一周期，按照規(guī)范試驗條件調(diào)節(jié)試驗箱中的溫濕度變化，試驗條件見表1。6組濕熱循環(huán)試件分別進行5、10、15、20、25、30個周期（d）的循環(huán)濕熱老化試驗。

表1 濕熱試驗的試驗條件

試件在試驗前后采用電子天平分別稱量試件的質(zhì)量，計算試驗前后各個試件的質(zhì)量變化率，取其各組平均值作為此試驗周期下試件的質(zhì)量變化率，并觀察試驗前后試件的表觀形貌變化。

（三）彎曲性能試驗

本研究對未經(jīng)過循環(huán)濕熱試驗的一組原始狀態(tài)的試件和經(jīng)過循環(huán)濕熱試驗后的各組試件分別進行彎曲性能測試。彎曲力學性能試驗參照ASTM D790-17標準中的三點彎曲試驗方法，在UTM5105X電子萬能試驗機上進行測試，加載采用位移加載的形式，速率為2mm/min，試驗中支撐點跨距為64mm，跨高比為16：1。測試環(huán)境為正常的室溫大氣條件，溫度范圍為15℃～35℃，相對濕度（RH）范圍為20%～80%。

二、結(jié)果分析

（一）循環(huán)濕熱試驗后試件的變化

1.單向鋪層試件

圖1匯總了各濕熱試驗周期下單向鋪層試件的平均質(zhì)量變化率。從圖1可以看出，截至30個濕熱周期，試件的質(zhì)量隨著濕熱試驗時間的增加而增加。這是因為在濕熱環(huán)境下，樹脂基復合材料試件的增重主要是由于基體吸水。試件在濕熱環(huán)境暴露越久，吸水量越多，質(zhì)量變化率值也越大。

圖1 各濕熱周期下單向鋪層試件組的平均質(zhì)量變化率點線圖

從圖1還可以看出，吸濕過程表現(xiàn)出兩個階段。第一階段，材料的吸濕速率較快。這主要是由材料本身的缺陷、裂紋以及樹脂本身吸水造成的，在溫度和濕度的共同作用下，水分能較快地進入材料內(nèi)部。第二階段，材料的吸濕速率明顯變緩，并隨著吸濕時間的增加，材料的質(zhì)量增量越來越小，逐漸趨于平衡。此時，材料達到飽和吸濕狀態(tài)。此階段的吸水過程較為復雜，主要與樹脂基體內(nèi)親水基團吸水有關。由此可以看出，單向帶層合板材料的吸濕過程表現(xiàn)出菲克擴散行為。

圖2是單向鋪層試件在不同濕熱周期試驗前后的照片。從照片上來看，單向鋪層復合材料試件經(jīng)過濕熱試驗后的外觀形貌與試驗前幾乎沒有變化。這是由于在循環(huán)濕熱試驗過程中試件內(nèi)部由于吸濕膨脹引起的濕熱變形和應力較小。因此，試件表面的變化不明顯，試驗過程中對試件質(zhì)量的影響較大。

圖2 單向鋪層試件經(jīng)過各濕熱周期試驗后的表面照片

2.織物鋪層試件

圖3匯總了各濕熱試驗周期下織物鋪層試件的平均質(zhì)量變化率。從圖3可以看出，截至30個濕熱周期，試件的質(zhì)量一直隨著濕熱試驗時間的增加而增加。吸濕過程也表現(xiàn)出兩個階段。第一階段，材料的吸濕速率較快，質(zhì)量增加也很快。第二階段，材料的吸濕速率明顯變緩，材料的質(zhì)量增量也越來越小，逐漸趨于平衡。

圖3 各濕熱周期下織物鋪層試件組的平均質(zhì)量變化率點線圖

圖4是織物鋪層試件在不同濕熱周期試驗前后的照片。同單向鋪層試件一樣，從照片上來看，經(jīng)過濕熱試驗后的試件與試驗前的試件表觀形貌上幾乎沒有變化。

圖4 織物鋪層試件經(jīng)過各濕熱周期試驗后的表面照片

（二）彎曲性能變化

1.單向鋪層試件

圖5給出的是單向帶鋪層試件不同濕熱循環(huán)周期的載荷位移曲線。試件在未破壞之前的載荷位移曲線基本上為線性，當試件發(fā)生局部損傷時，曲線表現(xiàn)出載荷的跌落現(xiàn)象，直至試件失去承載能力。從圖5可以看出，單向帶鋪層試件原始狀態(tài)和不同循環(huán)濕熱周期試驗后的應力應變曲線斜率變化不大，破壞載荷相差也不大。

圖5 單向帶鋪層試件的載荷位移曲線

表2是經(jīng)過不同濕熱試驗周期后單向鋪層試件每隔5天彎曲強度和彎曲模量的變化率隨濕熱周期的數(shù)據(jù)。其中，0天代表未經(jīng)過循環(huán)濕熱試驗的原始狀態(tài)試件。從表2可以看出，單向鋪層試件的模量和強度數(shù)值隨濕熱周期變化不大。

表2 不同濕熱老化周期后單向鋪層試件的彎曲性能

圖6是單向鋪層復合材料試件的彎曲強度隨濕熱周期的變化規(guī)律圖。從表2和圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著濕熱老化時間的增加，試件的彎曲強度先下降后增加，但下降和增加幅度均不大。在濕熱第5周期，試件彎曲強度下降約4%，在第20周期，彎曲強度增加約3%，25周期之后，彎曲強度又下降至接近未老化前水平并趨于穩(wěn)定，30周期后，材料的彎曲強度值恢復至稍高于老化前。

圖7是單向鋪層復合材料試件的彎曲模量隨濕熱周期的變化規(guī)律圖。從圖7可以看出，試件的彎曲模量隨著濕熱老化時間的增加，先下降后升高，增加和下降的幅度也不大。在濕熱5個周期后，試件彎曲模量下降5.32%，在15個周期后，彎曲模量增加5.041%，隨后彎曲模量又開始下降，30個周期后，材料的彎曲模量較于老化前高2.619%。

圖7 單向鋪層彎曲模量變化規(guī)律

復合材料循環(huán)濕熱后力學性能的變化主要是由于纖維和基體性能的差異造成的。在試驗初期，復合材料在較高的溫度環(huán)境下會經(jīng)歷后固化過程。這一過程可以使樹脂基體的交聯(lián)密度得到進一步的提高。而在潮濕和高溫條件下，熱量可以使樹脂的自由體積收縮。后固化和熱作用均能改善其彎曲性能[5]。然而，吸濕會導致基體溶脹增塑，甚至水解產(chǎn)生微裂紋，破壞基體樹脂結(jié)構(gòu)，引起樹脂脫落，進而破壞纖維與基體間的界面，使得界面性能老化。此外，由于纖維與樹脂基體吸濕膨脹不一致，在界面處會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，會促進裂紋在界面的產(chǎn)生和擴展，導致界面脫黏。熱量促進的吸濕進一步造成基體破壞、界面結(jié)合弱化、應力集中和缺陷增長。

彎曲性能在試驗前期下降，主要是因為此時吸濕對樹脂基體的塑化作用占主導地位，導致彎曲強度和彎曲模量暫時下降。隨后，彎曲強度和模量提升，說明后固化和熱作用對材料的強化作用超過了基體樹脂性能退化和界面性能弱化對材料的負面影響。隨著濕熱時間的延長，在第20周和第15周，彎曲強度和彎曲模量值又分別開始小幅下降，此時濕熱老化開始占主導作用。從曲線總體變化趨勢來看，經(jīng)過30個周期的濕熱老化后，材料的彎曲強度和彎曲模量未出現(xiàn)明顯變化，表明該樹脂基復合材料的彎曲性能受濕熱老化的影響不明顯。

圖8給出的是單向鋪層試件不同濕熱循環(huán)周期后彎曲破壞照片。原始狀態(tài)試件和不同循環(huán)濕熱周期試驗后單向鋪層試件的失效形式基本相同，試驗件的下部由于彎曲應力最大而使鋪層0度方向發(fā)生正應力破壞。由于試件上部鋪層并未失效，因此，試件并未完全斷開。

圖8 單向鋪層試件典型彎曲破壞圖

2.織物鋪層試件

圖9給出的是織物鋪層試件不同濕熱循環(huán)周期的載荷位移曲線，與單向帶鋪層試件的規(guī)律相同，試件在未破壞之前的載荷位移曲線也表現(xiàn)為線性。當試件發(fā)生局部損傷時，曲線表現(xiàn)出載荷的跌落現(xiàn)象，直至試件失去承載能力。從圖9看出，原始狀態(tài)和不同循環(huán)濕熱周期試驗后織物鋪層試件的應力應變曲線斜率和最終破壞載荷相差也不大。

圖9 織物鋪層試件的載荷位移曲線

表3是經(jīng)過不同濕熱試驗周期后織物鋪層試件每隔5天的彎曲強度和彎曲模量的變化率隨濕熱周期的變化數(shù)據(jù)。從表3可以發(fā)現(xiàn)，織物鋪層試件的模量和強度數(shù)值隨濕熱周期變化不大。圖10是織物鋪層復合材料試件的彎曲強度隨濕熱周期的變化規(guī)律圖。從以上圖表可以發(fā)現(xiàn)，隨著濕熱老化時間的增加，試件的彎曲強度先增加后逐步回落接近原始狀態(tài)，在經(jīng)過循環(huán)濕熱20周期后，試件彎曲強度上升約3%，30周期后，材料的彎曲強度值較原始狀態(tài)高1.536%。圖11是織物鋪層復合材料試件的彎曲模量隨濕熱周期的變化規(guī)律圖。從圖11可以看出，隨著濕熱老化時間的增加，試件的彎曲模量變化并不明顯，變化幅度在±2%之內(nèi)，在經(jīng)過10個周期后，彎曲模量增加了1.873%，在經(jīng)過30個周期后，彎曲模量減少了1.664%。

圖10 織物鋪層彎曲強度變化

表3 不同濕熱老化周期后織物鋪層試件的彎曲性能

圖12給出的是織物鋪層試件不同濕熱循環(huán)周期后彎曲破壞照片。原始狀態(tài)試件和不同循環(huán)濕熱周期試驗后單向鋪層試件的失效形式相同，不同狀態(tài)試件在彎曲載荷的作用下完全斷裂。這與單向鋪層試件并不完全相同，主要是由于織物鋪層的承載能力與單向鋪層不同而造成的。

圖12 織物鋪層彎曲破壞圖

三、結(jié)束語

濕熱試驗后，兩種鋪層復合材料試件的質(zhì)量均比試驗前高，復合材料試件在濕熱試驗中由于吸濕導致了其質(zhì)量增加。吸濕過程中質(zhì)量的變化分兩個階段，第一階段材料的吸濕速率較快，質(zhì)量增加也很快。第二階段材料的吸濕速率明顯變緩，材料的質(zhì)量增量也越來越小，逐漸趨于平衡。試驗前后，用肉眼觀察不到兩種復合材料表觀形貌的變化。

隨著循環(huán)濕熱試驗周期的增加，單向鋪層試件的彎曲強度和彎曲模量值先降低后增加，在-4%～3%范圍內(nèi)波動，試驗30天后彎曲強度最終接近于原始狀態(tài)下的值，彎曲模量增加約2.62%。這主要是由于初期吸濕塑化對材料性能產(chǎn)生負向作用，而后續(xù)后固化作用和熱作用加強了材料的抗彎性能，最終吸濕導致樹脂的結(jié)構(gòu)破壞、脫落和界面特性的削弱，與后固化協(xié)同作用使材料的彎曲性能有所恢復。經(jīng)過循環(huán)濕熱試驗的織物鋪層試件彎曲強度較原始狀態(tài)均表現(xiàn)為增大，經(jīng)過30個循環(huán)濕熱周期后，彎曲強度增加了1.536%，彎曲模量值相對穩(wěn)定，在±2%的范圍內(nèi)波動，在經(jīng)過30個周期后，彎曲模量減少了1.664%。