復(fù)合材料層合板的濕熱性能研究

復(fù)合材料層合板的濕熱性能研究

當(dāng)碳碳增強(qiáng)樹脂基材料應(yīng)用于承受力結(jié)構(gòu)時，且結(jié)果表明，碳吸收后對抗溫性和力學(xué)性的影響不利。因此，濕熱是環(huán)境因素中應(yīng)考慮的重要因素。復(fù)合材料濕熱性能評價往往采用加速的濕熱實驗條件,以往的研究中濕熱條件的選取并不一致,吸濕溫度和吸濕時間在很寬的范圍內(nèi)變化[8,9,10,11,12,13,14],導(dǎo)致所得研究結(jié)果無法進(jìn)行直接比較,甚至在定性規(guī)律上也會有較大差異,這不利于復(fù)合材料濕熱性能的科學(xué)評價和長期服役性能的預(yù)測分析。本文中選取了3種常用的加速濕熱條件,即水煮、70℃水浸以及70℃下的85%相對濕度,針對碳纖維/環(huán)氧5228A樹脂復(fù)合材料,對比研究了不同濕熱條件下的濕熱性能,并從吸濕率、樹脂性能以及濕膨脹應(yīng)力等方面分析了濕熱環(huán)境復(fù)合材料性能衰減的機(jī)制,研究結(jié)果為碳纖維復(fù)合材料濕熱性能評價方法的建立提供了重要的實驗依據(jù)。1實驗1.1后固化溫度材料:環(huán)氧樹脂5228A澆注體,固化溫度180℃,后固化溫度190℃;碳纖維/環(huán)氧5228A樹脂復(fù)合材料層合板,厚度2mm,纖維體積分?jǐn)?shù)為60%,鋪層方式為單向鋪層,熱壓罐工藝制備,北京航空材料研究院提供。1.2溫濕度吸濕實驗試樣包括環(huán)氧樹脂與碳纖維/環(huán)氧樹脂層板,濕熱環(huán)境分別為:水煮、70℃水浸,70℃85%相對濕度。吸濕率按下式計算:Mt=mt?m0m0×100%(1)Μt=mt-m0m0×100%(1)式中:Mt為濕熱一定時間t后的吸濕率;mt為濕熱一定時間t后試樣質(zhì)量;m0為干態(tài)試樣質(zhì)量。1.3材料試驗設(shè)備選用層間剪切性能來表征復(fù)合材料層合板的耐濕熱性能,測試標(biāo)準(zhǔn)JC/T773-1982(1996),試驗設(shè)備為Instron萬能材料試驗機(jī),測試溫度(即測試時試樣的環(huán)境溫度)分為室溫(20℃)和高溫(130℃),其中130℃的測試主要考慮到所采用的材料體系耐熱溫度為130℃,因此測試此溫度下復(fù)合材料的性能以評價濕熱對復(fù)合材料耐溫性能的影響。1.4樹脂密封性能試驗測試標(biāo)準(zhǔn):ASTMD638,采用標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅴ型試樣,試驗設(shè)備:Instron萬能材料試驗機(jī),加載速率為1mm/min。1.5濕膨脹系數(shù)的測定樹脂澆鑄體尺寸為50mm×10mm×2mm,吸濕一定時間后由浸潤測試儀測試試樣浮力的變化,進(jìn)而由阿基米德公式計算出澆鑄體體積的變化量,考慮樹脂各向同性,得到單個方向的尺寸變化率,再除以吸濕率得到濕膨脹系數(shù):β=(VV0)1/3?1Mt(2)β=(VV0)1/3-1Μt(2)式中:β為試樣的濕膨脹系數(shù);Mt為試樣的吸濕率,V0為干態(tài)試樣體積;V為濕熱一定時間t后的體積。1.6橫向吸濕穩(wěn)定性測定碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層板尺寸為50mm×50mm×2mm,吸濕一定時間后采用千分表測定層板橫向(90°方向)的濕應(yīng)變,再除以吸濕率得到層板的橫向濕膨脹系數(shù)。2結(jié)果與分析2.1材料吸濕性能測試環(huán)氧樹脂澆鑄體在水煮、70℃水浸及70℃RH85%濕熱條件下吸濕率Mt隨時間的變化規(guī)律如圖1(a)所示。由圖可以看出,3種濕熱條件下水分的擴(kuò)散速度和平衡吸濕率差異明顯,濕熱條件越苛刻,吸濕速度越快,平衡吸濕率越大。碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層板在水煮、70℃水浸及70℃RH85%濕熱環(huán)境下吸濕率Mt隨時間的變化規(guī)律如圖1(b)所示,與樹脂澆注體相同,水煮情況下吸濕最為明顯,70℃RH85%下吸濕量最小,因此所研究的材料體系吸濕量和吸濕速度均受到溫度和水分環(huán)境的影響。圖2為經(jīng)Nicolet560型紅外光譜儀測試所得不同濕熱條件下環(huán)氧樹脂的紅外光譜圖,發(fā)現(xiàn)濕熱處理后譜圖上特征峰的位置與相對峰高均無明顯變化,并且也沒有新的特征峰生成,故所研究的環(huán)氧樹脂在文本所采用的3種濕熱條件下沒有發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)。層板水煮3天后,試樣橫截面的光學(xué)照片和斷口掃描電鏡照片如圖3,可以看到在基體和界面處未出現(xiàn)微裂紋,且斷口平整,樹脂與纖維并無明顯脫粘現(xiàn)象。因此認(rèn)為不同濕熱條件下試樣吸濕的差別主要是由樹脂鏈段運動和水分子在基體中躍遷能力不同所造成的。2.2材料的層間剪切性能為了對比分析3種不同濕熱條件下碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能的變化程度,測試了濕熱前后層板的層間剪切性能,如表1所示,其中130℃條件下試樣的Mt采取空白實驗的方法測得,即空白試樣在130℃高溫環(huán)境下放置與實測試樣時間相同時取出稱量所得Mt。由表1可以看到,無論是常溫測試還是高溫測試,碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層板經(jīng)歷了濕熱處理后層間剪切性能均有明顯下降,下降幅度由大到小依次為水煮3天、70℃水浸7天以及70℃RH85%7天;對比20℃和130℃的情況,相同濕熱條件下高溫的性能保留率低,說明濕熱對復(fù)合材料的耐高溫力學(xué)性能影響更為明顯;采用相同條件的解吸濕處理后(70℃干燥7天),70℃水浸與70℃RH85%的試樣性能基本回復(fù)到干態(tài)的情況,但水煮3天再解吸濕處理后室溫與高溫測試環(huán)境下的層間剪切性能分別僅恢復(fù)至干態(tài)試樣的93%與97%。這些性能上的降低程度與試樣的含水率變化一致:水煮試樣含水率最大,解吸濕干燥后試樣依然含有少量的水,其性能降低幅度最大,而70℃RH85%條件試樣含水率最小,解吸濕后水分幾乎全部去除,其性能降低幅度最小。為了進(jìn)一步證實試樣含水率是層間剪切性能的控制因素,測試了水煮43h后試樣室溫性能,其含水率與70℃水浸7天情況基本相同,從表1中可以看到,二者的層間剪切性能也十分接近。綜合2.1中的結(jié)果,可以認(rèn)為本實驗范圍內(nèi),復(fù)合材料濕熱后性能的變化程度主要取決于吸濕率,而與具體的濕熱環(huán)境關(guān)系不大,因此可以比較不同濕熱條件下相同吸水率的復(fù)合材料性能。2.3層間剪切性能材料表面吸濕水量在很大程度上決定了復(fù)合材料的層間剪切性能,一般情況下碳纖維不吸濕,其性能受濕熱影響不大,而樹脂和復(fù)合材料界面則受吸濕水影響。2.3.1對樹脂拉伸性能的影響水分子進(jìn)入基體后通過溶脹作用使基體發(fā)生增塑,為鏈段運動提供了所需的自由體積,使樹脂性能降低。表2給出了濕熱前后環(huán)氧樹脂拉伸性能的變化?？梢钥闯?樹脂在經(jīng)歷2種濕熱老化后模量、強(qiáng)度均有一定程度下降,并且由于2種情況下含水率相近,性能下降的幅度也基本相同,故所選取的濕熱條件下樹脂性能變化主要由其吸濕率所決定。樹脂性能的降低會使其傳遞載荷的能力減小,從而對復(fù)合材料性能產(chǎn)生不利影響。2.3.2吸濕率對濕膨脹系數(shù)的影響實驗結(jié)果表明,碳纖維本身吸濕量很小,因此在濕熱作用下基本不發(fā)生尺寸變化,而樹脂吸濕后會發(fā)生膨脹,這種濕膨脹上的明顯差別,必然使得纖維受軸向的拉伸應(yīng)力、基體受壓縮應(yīng)力,同時在纖維/基體界面上產(chǎn)生剪切濕應(yīng)力,使得界面性能下降。為了分析不同濕熱條件下這種濕應(yīng)力的差異,本文測定了不同濕熱條件下環(huán)氧樹脂及復(fù)合材料濕膨脹系數(shù)隨吸濕率的變化,如圖4和圖5所示。圖4為環(huán)氧樹脂濕膨脹系數(shù)-吸濕率變化曲線。可以看到,在選定的濕熱條件下,環(huán)氧樹脂的濕膨脹系數(shù)并不是恒定的數(shù)值,而是隨著吸濕率的增加略有增加,相同吸濕率下水煮條件的濕膨脹系數(shù)較大,70℃RH85%條件的較小,但差異不大。碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層板的橫向濕膨脹系數(shù)變化也隨著吸濕率的增加有增大的趨勢(見圖5),并且復(fù)合材料層板與樹脂的濕膨脹系數(shù)相近。由于不同濕熱條件下相同吸濕率樹脂濕膨脹系數(shù)相近,復(fù)合材料濕應(yīng)力和濕應(yīng)變主要與吸濕率有關(guān),更大的吸濕率所引起的濕應(yīng)力給界面造成了更大的破壞,從而對復(fù)合材料性能造成影響。綜上所述,本文所研究的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在3種濕熱條件下沒有發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng),基體與界面處未出現(xiàn)微裂紋,樹脂濕膨脹系數(shù)相近,但不同濕熱條件吸濕量差異明顯,使得樹脂因塑化導(dǎo)致的性能下降程度和復(fù)合材料內(nèi)部濕應(yīng)力大小不同,進(jìn)而影響到復(fù)合材料的性能,使得復(fù)合材料濕熱性能主要受吸濕率大小的控制。3吸濕率對層剪性能的影響(1)在本文中所采用3種加速濕熱條件下,碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層板的層剪性能下降主要受吸濕率控制,因此不同濕熱環(huán)境相同吸濕率下復(fù)合