0引言

近年來,先進樹脂基復合材料因具有高的強度、剛度和優異的耐腐蝕性能,在航空航天等工業中得到了廣泛應用。盡管樹脂基復合材料具有優良的耐腐蝕性能,但最近研究表明,它在一定的溫度、濕度、紫外光等條件下也會發生腐蝕使其力學性能降低[1-2],其中濕熱老化是樹脂基復合材料的主要腐蝕失效形式[3-6]。濕熱環境對樹脂基復合材料性能的影響主要是通過對樹脂基體、增強纖維以及樹脂/纖維粘接界面產生不同程度的破壞而產生的。溫度變化容易產生熱應力損傷,吸濕結晶則易導致裂紋擴展、基體降解等問題,使材料使用壽命降低。因而樹脂基復合材料的使用壽命成為該材料使用中的主要問題。目前,由于T300碳纖維價格昂貴,大大增加了T300碳纖維復合材料的生產成本。為了降低成本,滿足目前碳纖維復合材料的市場需求以及進一步擴大碳纖維復合材料的應用,選擇一種價格相對低廉的碳纖維作為T300的替代品顯得非常迫切。T700碳纖維就是一種很好的替代產品,其價格僅為T300的1/10[7]。

老化試驗是評價和研究各種材料在一定環境下的耐老化性能和老化規律的一種手段[8-11]。老化試驗方法可分為兩類:(1)自然老化試驗,即利用自然環境條件或自然介質進行試驗;(2)加速老化試驗,即利用人工方法,在室內或設備內模擬近似于大氣環境條件或某種特定的環境條件,并強化某些因素,以期在較短時間內獲得結果。作者針對某樹脂基復合材料部件在制造車間、產品庫房和露天條件三種濕熱老化環境中,對T700碳纖維/環氧樹脂基和T300碳纖維/環氧樹脂基復合材料以及兩種復合材料與金屬膠接結構進行濕熱加速老化試驗,并對老化前后的材料進行了力學性能試驗和無損檢測。

1試樣制備與試驗方法

1.1試樣制備

試驗材料為T700碳纖維/環氧樹脂基和T300碳纖維/環氧樹脂基預浸帶制成的復合材料試板,其中兩種碳纖維的體積分數名義值均為60%。分別按ASTMD3039,ASTMD6641,ASTMD790,ASTMD2344,ASTMD3518和ASTMD1002-2005的要求加工出縱向和橫向拉伸試樣、縱向和橫向壓縮試樣、縱橫剪切試樣、彎曲試樣、層間剪切試樣以及復合材料/金屬膠接結構剪切試樣。其中,復合材料/金屬膠接結構無損檢測試樣的幾何形狀及尺寸見圖1,剪切試樣的幾何形狀及尺寸見圖2。

       由表1可見,濕熱老化對T700碳纖維/環氧樹脂基復合材料(簡稱T700復合材料)力學性能的影響不大,與未老化試樣的力學性能相比,老化后除縱向和橫向壓縮強度有所降低(保持率分別為88.6%和83.4%)外,其他各項力學性能均沒有明顯的降低。與未老化試樣性能相比,加速老化70d后試樣的縱向拉伸強度和縱向拉伸模量分別提高了7.2%和9.2%,橫向拉伸強度和橫向拉伸模量分別提高了13.8%和5.3%;縱向壓縮強度和縱向壓縮模量分別降低了11.4%和3.6%,橫向壓縮強度降低了16.6%,而橫向壓縮模量提高了1.4%;縱橫剪切強度和縱橫剪切模量分別提高了5.0%和11.8%。2mm和3mm厚彎曲試樣的彎曲強度和彎曲模量均比未老化時有所提高,其中彎曲強度分別提高了2.9%和1.0%,彎曲模量分別提高了4.6%和9.4%。與未老化試樣相比,2mm和3mm厚試樣的層間剪切強度分別提高了12.7%和0.6%。

3結論 

       (1)T700碳纖維/環氧樹脂基復合材料在加速老化70d后,除縱向壓縮強度和橫向壓縮強度分別降低11.4%和16.6%外,老化沒有使其他力學性能明顯降低,有的反而有所提高。

(2)T300碳纖維/環氧樹脂基復合材料在加速老化70d后,除縱向和橫向壓縮強度有明顯降低外(降低幅度小于30%),其他力學性能沒有明顯降低,有的反而有所提高。

(3)對于兩種復合材料/金屬膠接結構,加速老化70d不會導致膠接界面產生損傷,但使膠粘劑剪切強度降低了大約13%。

(4)T700碳纖維/環氧樹脂基及T300碳纖維/環氧樹脂基復合材料在老化前的性能基本相當,在濕熱老化70d后前者的力學性能保持率優于后者的,因此用T700碳纖維/環氧樹脂基復合材料替代T300碳纖維/環氧樹脂基復合材料是可行的。