近年來,先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料因具有高的強(qiáng)度、剛度和優(yōu)異的耐腐蝕性能,在航空航天等工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。盡管樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)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(fā)生腐蝕使其力學(xué)性能降低[1-2],其中濕熱老化是樹脂基復(fù)合材料的主要腐蝕失效形式[3-6]。濕熱環(huán)境對樹脂基復(fù)合材料性能的影響主要是通過對樹脂基體、增強(qiáng)纖維以及樹脂/纖維粘接界面產(chǎn)生不同程度的破壞而產(chǎn)生的。溫度變化容易產(chǎn)生熱應(yīng)力損傷,吸濕結(jié)晶則易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展、基體降解等問題,使材料使用壽命降低。因而樹脂基復(fù)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(jià)格昂貴,大大增加了T300碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)成本。為了降低成本,滿足目前碳纖維復(fù)合材料的市場需求以及進(jìn)一步擴(kuò)大碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用,選擇一種價(jià)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(chǎn)品,其價(jià)格僅為T300的1/10[7]。

老化試驗(yàn)是評價(jià)和研究各種材料在一定環(huán)境下的耐老化性能和老化規(guī)律的一種手段[8-11]。老化試驗(yàn)方法可分為兩類:(1)自然老化試驗(yàn),即利用自然環(huán)境條件或自然介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn);(2)加速老化試驗(yàn),即利用人工方法,在室內(nèi)或設(shè)備內(nèi)模擬近似于大氣環(huán)境條件或某種特定的環(huán)境條件,并強(qiáng)化某些因素,以期在較短時(shí)間內(nèi)獲得結(jié)果。作者針對某樹脂基復(fù)合材料部件在制造車間、產(chǎn)品庫房和露天條件三種濕熱老化環(huán)境中,對T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基和T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料以及兩種復(fù)合材料與金屬膠接結(jié)構(gòu)進(jìn)行濕熱加速老化試驗(yàn),并對老化前后的材料進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)和無損檢測。

1　試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1　試樣制備

試驗(yàn)材料為T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基和T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基預(yù)浸帶制成的復(fù)合材料試板,其中兩種碳纖維的體積分?jǐn)?shù)名義值均為60%。分別按ASTM D 3039,ASTM D 6641,ASTM D 790,ASTM D 2344,ASTM D 3518和ASTM D 1002-2005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(fù)合材料/金屬膠接結(jié)構(gòu)剪切試樣。其中,復(fù)合材料/金屬膠接結(jié)構(gòu)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。

1.2　試驗(yàn)方法

根據(jù)復(fù)合材料部件的使用保管環(huán)境條件,確定不同階段保管環(huán)境條件下的年平均溫度和年平均相對濕度如下:制造車間為17.5℃和50%;產(chǎn)品庫房為17.5℃和35%;露天條件為25℃和70%。大量的試驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)合材料層壓板的吸濕量與吸濕后的力學(xué)特性之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系,而與導(dǎo)致該吸濕量的濕熱歷程無關(guān),這是試驗(yàn)室加速吸濕和預(yù)估吸濕后材料力學(xué)性能的基本依據(jù)。但加速吸濕的環(huán)境溫度不宜太高。因此,按照文獻(xiàn)[12]中的第一種方法計(jì)算時(shí)間加速系數(shù)k:

式中:t1為實(shí)際存放的時(shí)間;t2為加速后的時(shí)間;T1,1分別為實(shí)際存放的溫度和相對濕度;T2,2分別為加速環(huán)境的溫度和相對濕度,選擇的加速老化溫度和相對濕度分別為70℃和85%;C為試驗(yàn)系數(shù),一般取C=46.1。

根據(jù)確定的庫房存放和露天存放的環(huán)境和選擇的加速環(huán)境,依照式(1)計(jì)算的各種儲存條件的時(shí)間加速系數(shù)和老化時(shí)間分別如下:制造車間k=89.5,則加速老化8 d相當(dāng)于制造車間存放2 a的自然老化;產(chǎn)品庫房k=855.5,則加速老化5 d相當(dāng)于產(chǎn)品庫房存放12 a的自然老化;露天條件k=6.4,則加速老化57 d相當(dāng)于露天貯存1 a的自然老化。這樣,在70℃和相對濕度85%的加速老化試驗(yàn)環(huán)境箱內(nèi)加速老化70 d,就等效于復(fù)合材料在室內(nèi)條件下貯存14 a(2 a制造車間+12 a產(chǎn)品庫房)和在露天條件下貯存1 a的自然老化。

在SH050A濕熱環(huán)境箱(重慶銀河試驗(yàn)儀器公司)中進(jìn)行加速老化試驗(yàn),將需老化的復(fù)合材料試樣放置在濕熱環(huán)境箱中(環(huán)境箱溫度和相對濕度分別為70℃和85%)進(jìn)行70 d的加速老化試驗(yàn)。試樣的拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能和剪切強(qiáng)度試驗(yàn)在INSTRON-1195型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,所有數(shù)據(jù)均為6~12個(gè)試樣的平均值。使用超聲C掃描無損檢測方法分別檢測復(fù)合材料/金屬膠接結(jié)構(gòu)加速老化前后的膠接狀態(tài),檢查是否發(fā)生脫膠及分層損傷。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料加速老化前后的力學(xué)性能

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

2.2　T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料加速老化前后的力學(xué)性能

由表1可見,濕熱老化對T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(簡稱T300復(fù)合材料)力學(xué)性能的影響也不大,加速老化70 d后材料性能保持率良好,除縱向拉伸強(qiáng)度、縱向壓縮強(qiáng)度及模量、橫向壓縮強(qiáng)度和縱橫剪切強(qiáng)度在老化后稍有所降低(除縱向壓縮強(qiáng)度保持率為74.3%,其余性能保持率均高于80%),其他各性能參數(shù)均沒有降低,反而略高于未老化試樣。與未老化試樣性能相比,加速老化70后試樣的縱向拉伸模量提高了10.9%,橫向拉伸強(qiáng)度和橫向拉伸模量分別提高了12.9%和5.5%;橫向壓縮模量提高了1.3%;縱橫剪切模量提高了20·0%。2 mm和3 mm厚彎曲試樣的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均比未老化時(shí)有所提高,其中彎曲強(qiáng)度分別提高了8.3%和12.4%,彎曲模量分別提高了3.3%和4.5%。2 mm和3 mm厚試樣的層間剪切強(qiáng)度與未老化試樣相比,分別提高了4.2%和0.1%。

2.3　復(fù)合材料/金屬膠接結(jié)構(gòu)加速老化前后的性能

由表1可以看出,濕熱老化使得膠接結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度有一定程度的降低,即對于兩種復(fù)合材料與金屬的膠接結(jié)構(gòu),加速老化70 d后的剪切強(qiáng)度分別降低了12.7%和13.0%。接頭的破壞模式都是粘接失效(包括膠接界面破壞、膠層破壞和混合破壞)。這是由于在膠接過程中,環(huán)氧樹脂涂裝在金屬表面后,溶劑揮發(fā)、分子振動、高分子鏈結(jié)構(gòu)的微空隙等形成形態(tài)上的多空特征,而且金屬是具有親水性的材料,在溫濕環(huán)境下,水分子極易沿著粘接界面擴(kuò)散、富集,造成金屬表面電化學(xué)腐蝕、界面粘附條件破壞,導(dǎo)致膠接結(jié)構(gòu)的粘接性能下降[13]。對比兩種膠接結(jié)構(gòu)膠接界面老化前后的超聲C掃描無損檢測結(jié)果可知,老化過程不會使兩種復(fù)合材料/金屬膠接結(jié)構(gòu)的膠接界面產(chǎn)生新的損傷。

2.4　加速老化前后復(fù)合材料力學(xué)性能變化的原因溫度、濕度對材料性能的影響主要有兩個(gè)方面一方面,濕氣的滲透破壞了基體的化學(xué)鍵,當(dāng)纖維受力后,基體的傳遞載荷作用降低,復(fù)合材料強(qiáng)度下降;另一方面,高溫使材料中的樹脂固化程度增加引起性能的提高。兩種作用的綜合結(jié)果是使材料力學(xué)性能出現(xiàn)起伏[9]。從復(fù)合材料基體、纖維、界面三方面考慮,T700和T300纖維均為石墨結(jié)構(gòu),水分和溫度對復(fù)合材料的影響只會發(fā)生在基體和界面。縱橫拉伸強(qiáng)度主要表征纖維材料承受外力的能力,而基體在其中起到傳遞應(yīng)力的作用;縱橫剪切強(qiáng)度主要表征基體-纖維界面的結(jié)合性能。從表1可看出,加速老化70 d后,T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都有所提高,這表明在70 d的溫濕老化條件下,高溫使樹脂固化程度增加對復(fù)合材料性能的提高要強(qiáng)于濕氣破壞基體化學(xué)鍵削弱材料強(qiáng)度的作用。對于T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料,其橫向拉伸強(qiáng)度升高,而縱向拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都有所降低,這表明經(jīng)過70 d的加速老化后,水分子已浸透于基體-纖維界面,導(dǎo)致界面的結(jié)合力降低。雖然高溫使材料中樹脂的固化程度增加,引起性能提高,但無法抵消水分子對基體-纖維界面結(jié)合力的嚴(yán)重削弱,從而表現(xiàn)為縱向拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度下降。濕熱狀態(tài)下復(fù)合材料的壓縮破壞形式均以分層屈曲破壞為主[14],這是因?yàn)樗肿訉w-纖維界面的破壞,導(dǎo)致了基體-纖維界面結(jié)合力下降,削減了材料在厚度方向的性能,從而降低了復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度。

由表1可見,加速老化70 d后,兩種復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度都有所提高,這表明濕氣對薄板材料層間剪切強(qiáng)度的削弱作用弱于高溫的固化增強(qiáng)作用,從而使材料的層間剪切強(qiáng)度表現(xiàn)為提高。T700和T300碳纖維屬石墨無機(jī)結(jié)構(gòu),沒有纖維內(nèi)部變化和單純應(yīng)力變化,因而其模量的變化主要由基體性能變化引起。高溫對基體性能的促進(jìn)作用要強(qiáng)于濕氣對基體性能的削弱作用,從而表現(xiàn)為材料的模量均有所提高。

綜合對比兩種復(fù)合材料的性能可知,T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料和T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在老化前的性能基本相當(dāng);在濕熱老化70 d后,T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能保持率優(yōu)于T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的,因此用T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料替代T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料是可行的。

3　結(jié)　論

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

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

(3)對于兩種復(fù)合材料/金屬膠接結(jié)構(gòu),加速老化70 d不會導(dǎo)致膠接界面產(chǎn)生損傷,但使膠粘劑剪切強(qiáng)度降低了大約13%。

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