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。

1.2　試驗方法

根據復合材料部件的使用保管環境條件,確定不同階段保管環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%;產品庫房為17.5℃和35%;露天條件為25℃和70%。大量的試驗結果表明,復合材料層壓板的吸濕量與吸濕后的力學特性之間存在一定的對應關系,而與導致該吸濕量的濕熱歷程無關,這是試驗室加速吸濕和預估吸濕后材料力學性能的基本依據。但加速吸濕的環境溫度不宜太高。因此,按照文獻[12]中的第一種方法計算時間加速系數k:

式中:t1為實際存放的時間;t2為加速后的時間;T1,1分別為實際存放的溫度和相對濕度;T2,2分別為加速環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為試驗系數,一般取C=46.1。

根據確定的庫房存放和露天存放的環境和選擇的加速環境,依照式(1)計算的各種儲存條件的時間加速系數和老化時間分別如下:制造車間k=89.5,則加速老化8 d相當于制造車間存放2 a的自然老化;產品庫房k=855.5,則加速老化5 d相當于產品庫房存放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%的加速老化試驗環境箱內加速老化70 d,就等效于復合材料在室內條件下貯存14 a(2 a制造車間+12 a產品庫房)和在露天條件下貯存1 a的自然老化。

在SH050A濕熱環境箱(重慶銀河試驗儀器公司)中進行加速老化試驗,將需老化的復合材料試樣放置在濕熱環境箱中(環境箱溫度和相對濕度分別為70℃和85%)進行70 d的加速老化試驗。試樣的拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能和剪切強度試驗在INSTRON-1195型電子萬能材料試驗機上進行,所有數據均為6~12個試樣的平均值。使用超聲C掃描無損檢測方法分別檢測復合材料/金屬膠接結構加速老化前后的膠接狀態,檢查是否發生脫膠及分層損傷。

2　試驗結果與討論

2.1　T700碳纖維/環氧樹脂基復合材料加速老化前后的力學性能

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70 d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%。2 mm和3 mm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,2 mm和3 mm厚試樣的層間剪切強度分別提高了12.7%和0.6%。

2.2　T300碳纖維/環氧樹脂基復合材料加速老化前后的力學性能

由表1可見,濕熱老化對T300碳纖維/環氧樹脂基復合材料(簡稱T300復合材料)力學性能的影響也不大,加速老化70 d后材料性能保持率良好,除縱向拉伸強度、縱向壓縮強度及模量、橫向壓縮強度和縱橫剪切強度在老化后稍有所降低(除縱向壓縮強度保持率為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度與未老化試樣相比,分別提高了4.2%和0.1%。

2.3　復合材料/金屬膠接結構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構的剪切強度有一定程度的降低,即對于兩種復合材料與金屬的膠接結構,加速老化70 d后的剪切強度分別降低了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,環氧樹脂涂裝在金屬表面后,溶劑揮發、分子振動、高分子鏈結構的微空隙等形成形態上的多空特征,而且金屬是具有親水性的材料,在溫濕環境下,水分子極易沿著粘接界面擴散、富集,造成金屬表面電化學腐蝕、界面粘附條件破壞,導致膠接結構的粘接性能下降[13]。對比兩種膠接結構膠接界面老化前后的超聲C掃描無損檢測結果可知,老化過程不會使兩種復合材料/金屬膠接結構的膠接界面產生新的損傷。

2.4　加速老化前后復合材料力學性能變化的原因溫度、濕度對材料性能的影響主要有兩個方面一方面,濕氣的滲透破壞了基體的化學鍵,當纖維受力后,基體的傳遞載荷作用降低,復合材料強度下降;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。兩種作用的綜合結果是使材料力學性能出現起伏[9]。從復合材料基體、纖維、界面三方面考慮,T700和T300纖維均為石墨結構,水分和溫度對復合材料的影響只會發生在基體和界面?？v橫拉伸強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力的作用;縱橫剪切強度主要表征基體-纖維界面的結合性能。從表1可看出,加速老化70 d后,T700碳纖維/環氧樹脂基復合材料的拉伸強度和剪切強度都有所提高,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合材料性能的提高要強于濕氣破壞基體化學鍵削弱材料強度的作用。對于T300碳纖維/環氧樹脂基復合材料,其橫向拉伸強度升高,而縱向拉伸強度和剪切強度都有所降低,這表明經過70 d的加速老化后,水分子已浸透于基體-纖維界面,導致界面的結合力降低。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-纖維界面結合力的嚴重削弱,從而表現為縱向拉伸強度和剪切強度下降。濕熱狀態下復合材料的壓縮破壞形式均以分層屈曲破壞為主[14],這是因為水分子對基體-纖維界面的破壞,導致了基體-纖維界面結合力下降,削減了材料在厚度方向的性能,從而降低了復合材料的壓縮強度。

由表1可見,加速老化70 d后,兩種復合材料的層間剪切強度都有所提高,這表明濕氣對薄板材料層間剪切強度的削弱作用弱于高溫的固化增強作用,從而使材料的層間剪切強度表現為提高。T700和T300碳纖維屬石墨無機結構,沒有纖維內部變化和單純應力變化,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作用要強于濕氣對基體性能的削弱作用,從而表現為材料的模量均有所提高。

綜合對比兩種復合材料的性能可知,T700碳纖維/環氧樹脂基復合材料和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70 d后,T700碳纖維/環氧樹脂基復合材料的力學性能保持率優于T300碳纖維/環氧樹脂基復合材料的,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。

3　結　論

(1) T700碳纖維/環氧樹脂基復合材料在加速老化70 d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70 d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70 d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70 d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。