碳纤维/环氧树脂层压板湿热性能研究进展

张阿樱 张东兴 李地红 肖海英 贾 近

1.哈尔滨工业大学,哈尔滨,150001 2.哈尔滨学院,哈尔滨,150086

0 引言

碳纤维增强环氧树脂复合材料作为一种先进的航空航天材料[1-3],近年来被越来越广泛地应用于航空航天等高技术领域。复合材料在使用和贮存过程中会受到各种环境因素的影响,其中湿热环境是复合材料结构最敏感的环境条件之一,湿热老化是复合材料的主要腐蚀失效形式[4]。在湿热环境下,纤维复合材料微结构可诱发变形、内应力、开裂等损伤形式,从而使材料性能下降[5]。因此,国内外学者对树脂基复合材料的吸湿过程[6-10]、老化机理[11-15]、湿热老化对界面[16-22]及力学性能[6-8,23-34]影响、有限元分析[35-36]等方面进行了大量研究。

1 碳纤维/环氧树脂层压板湿热性能的理论研究

1.1 碳纤维复合材料吸湿过程

纤维增强树脂基复合材料的湿热老化是复合材料经受吸湿、温度和应力联合作用而产生的退化过程[6]。复合材料的吸湿是一个缓慢的湿度弥散过程。湿热环境对树脂基复合材料性能的影响主要是通过对树脂基体、增强纤维以及树脂/纤维粘接界面产生不同程度的破坏而产生的[7]。由于碳纤维一般不吸湿,而一般的环氧树脂基体的分子结构中含有大量的羟基、氨基等极性亲水基团,使树脂基体的吸湿性强,吸湿率高。通常情况下,环氧树脂基复合材料的饱和吸湿率在1%～2%之间(碳纤维体积分数在60%左右)[8]。由此可知,复合材料吸水率主要决定于基体。吸水率和温度主要影响基体和由基体控制的强度和刚度。同一种复合材料在不同老化条件下,吸湿速率和最大吸湿量不同。在湿热老化过程中,温度可以加速水分进入复合材料的速度和强度。在湿度相同的条件下,温度高的吸湿速率大,最大吸湿量也高[9]。

Almeida[10]指出,一般而言,环境中的水分是通过碳纤维与基体间的界面(毛细作用)、树脂基体(扩散)及复合材料中的孔隙、微裂纹和界面脱粘处进入复合材料内部的。

1.2 碳纤维复合材料湿热老化机理

对于聚合物的吸湿,Zhou等[11]提出两种不同的途径：一是水分子自由扩散进入聚合物内部的自由空间;二是水分子通过和聚合物内亲水官能团的结合,进入聚合物内部。树脂吸水后发生膨胀和软化,主要是由第二种吸水途径造成的。

文献[12-14]认为水分对树脂基体的影响有：水使基体发生溶胀,使纤维与基体的界面产生沿纤维径向的拉应力,加快水的吸收;溶胀使基体大分子结构间距增大,刚性基团的活性增强,因而使基体增塑;水向基体的吸湿性扩散,由此产生渗透压使基体内部产生裂纹、微小裂缝或其他类型的形态变化,使吸湿量增加;水助长裂纹的扩散,可使基体破裂;基体水解导致断链和解交联。其中,基体溶胀和塑化是可逆的,材料经干燥后即可恢复;而基体的裂纹扩散和水解是不可逆的,其对材料的破坏是永久性的。

Costa等[15]指出吸湿会导致复合材料聚合物基体可逆或不可逆的塑化,伴随着温度的影响,会显著改变基体材料的刚度和韧性。

1.3 湿热环境对碳纤维增强复合材料界面的影响

纤维增强复合材料的界面质量对复合材料的整体性能影响较大[16]。纤维增强聚合物基复合材料无论在基体、纤维还是界面上均有微裂纹存在。当复合材料受力时,当所加应力引起弹性应变所消耗的能量δE超过新形成表面所需的能量δσ和塑性变形所需的能量δw之和(δE＞δσ+δw)时,裂纹便会扩大[17]。在高温下,纤维与树脂基体热膨胀系数的差异会导致在界面处形成内压力;热水浸泡会引起树脂基体发生溶胀,在纤维/树脂界面处产生溶胀应力;水分子或其他介质离子通过界面的扩散和渗透,都会使界面脱粘,从而使复合材料性能降低[18]。

Wolff[19]指出,复合材料中的碳纤维是不吸湿的,则吸湿的树脂与不吸湿的纤维之间必然存在湿膨胀的明显差别。基体的极性越高,吸湿量越大,纤维与基体间的湿膨胀不匹配性就越明显。这种不匹配必然在纤维/基体界面上产生内应力,如果内应力足够高,就势必导致界面脱粘与开裂。Cândido等[20]也指出吸湿会导致材料发生机械和物理化学变化,且界面脱粘或微裂纹会使聚合物基体增韧和基体/纤维界面恶化。

Xu[21]提出水破坏界面的几种主要方式：基体发生溶胀,这样会对纤维产生一个剪应力,当这种剪应力大于界面粘接力时,会引起界面脱粘破坏,从而不能有效传递应力;水渗入界面相上的微裂纹中,促使界面裂纹增长;水渗透基体进入界面,破坏纤维与基体的化学结合。界面的破坏属不可逆破坏,对材料的影响是永久性的[22]。

2 碳纤维/环氧树脂层压板在湿热环境中力学性能的试验研究

2.1 静力学试验研究

Meziere等[23]在研究T700/DGEBA环氧树脂复合材料老化问题时,也发现吸收水分会使环氧树脂基体材料的性能降低,从而导致复合材料的性能降低。湿、热两种作用对复合材料性能有促进和抵消两种效果,使复合材料性能变化较单纯热或湿作用更为复杂。王晓洁等[24]认为温度、湿度对材料性能的影响主要有两个方面：一方面,湿气的渗透破坏了基体的化学键,当纤维受力后,基体的传递载荷作用降低,复合材料强度下降;另一方面,高温使材料中的树脂固化程度增强,引起材料性能的改善。两种作用的综合结果使材料力学性能出现变化。

Won[25]指出,随着材料的老化,内部孔隙增多,温度升高,拉伸强度下降。

Park等[26]研究了孔隙对长期湿热行为下两种层合板的影响。试验结果表明,孔隙有助于吸水,进而导致层间剪切强度下降,与未老化试样性能相比,GLARE层板层间剪切强度下降了17%～32%。

Costa等[27]指出碳纤维环氧树脂层压板在温度为80℃、相对湿度为95%条件下湿热老化率、层间剪切强度和抗压强度均下降,其原因可能是湿热条件下孔隙加剧了纤维基体的界面脱粘并使基体退化。

Scida等[28]指出玻璃纤维/R1二维编织层合板经过1300h、70℃吸湿,吸湿量约为1.8%,拉伸强度、弯曲强度平均下降53%。

余治国等[7]对T700碳纤维/环氧树脂进行湿热老化处理后,除纵向和横向压缩强度有所降低(保持率分别为88.6%和83.4%)外,其他各项力学性能均没有明显降低;T300碳纤维/环氧树脂经湿热老化处理后,除纵向拉伸强度、纵向压缩强度及模量、横向压缩强度和纵横剪切强度在老化后稍有降低(除纵向压缩强度保持率为74.3%,其余性能保持率均高于80%),其他各性能参数均没有降低,反而略高于未老化试样。

2.2 动力学试验研究

Hashemi等[29]对湿、热的单独作用下纯Ⅰ型、纯Ⅱ型碳纤维复合材料层压板的层间断裂性能进行了研究。张复盛等[30]就湿热(0℃,相对湿度100%)环境对T300/914C石墨/环氧单向复合材料层板层间断裂韧性的影响进行了研究。指出聚合物基复合材料的断裂韧性与材料组成、树脂纤维界面性质、承载方式、加载速率以及环境因素有关。试样吸水后,由于水分子对环氧树脂基体的增塑作用,使复合材料的玻璃化温度大幅度下降,树脂基的柔韧性明显提高,导致复合材料层间断裂韧性大大提高,裂纹扩展速率明显降低。管国阳等[31]研究了材料吸湿和环境温度对T300/5405复合材料混合型层间断裂韧性的影响,常温下吸湿对材料的层间断裂韧性影响不明显,在高温环境下,随吸湿量增加,层间断裂韧性显著增加;温度对干态材料的断裂韧性影响较小,试件吸湿后,随温度升高,韧性增强。

Papanicolaou等[32]研究了热循环对 E-glass/ET441环氧树脂复合材料蠕变和恢复行为的影响,结果表明,材料蠕变柔量以指数形式衰减。

Nishikawa等[33]研究了在生产过程中吸湿对平织碳纤维/环氧复合材料静态和疲劳性能的影响。试验结果表明,材料在混合和层压阶段如果不发生吸湿行为可明显改善平织碳纤维材料的拉伸强度和疲劳寿命。

Saito等[34]研究了碳纤维层合板在吸湿环境下受冲击后疲劳损伤扩展行为。和干态试样相比,吸湿后,冲击后压缩强度及冲击后疲劳强度均下降。

3 数值模拟研究

孙丽等[35]采用ABAQUS有限元软件的质量扩散模块,对碳纤维增强环氧树脂基复合材料在湿热环境下吸湿后的水分浓度场进行了分析计算。计算在环境温度为37℃及80℃的条件下进行。计算结果和试验结果较吻合,为后续的CFL/EP复合材料湿热残余应力的分析打下了基础。

复合材料力学性能分析计算模型把宏观和细观联系起来的方法有多种,Youssef等[36]应用Eshelby理论得到宏细观的刚度矩阵、湿热膨胀系数、温度变化、吸水浓度变化之间的关系。最后把湿热环境下的细观应力表示成宏观应变的函数,建立了宏细观跨尺度联系。

4 结语

碳纤维/环氧树脂复合材料因其高比强度、高比刚度和优异的耐腐蚀性而得到越来越广泛的应用。但是,温度、湿度、紫外线等环境条件都会使复合材料力学性能降低,其中湿热老化是复合材料的主要腐蚀失效形式。因此,碳纤维复合材料的湿热性能对复合材料结构的影响已经得到越来越多的重视,目前国内外很多学者对树脂基复合材料的吸湿过程、老化机理、湿热老化对复合材料界面的影响,以及湿热老化的力学性能、计算模型等进行了大量研究。

飞机中复合材料结构在服役过程中所处环境及承受载荷非常复杂,目前的湿热老化研究尚不能真实模拟实际工况,还需对复合材料湿热老化性能进行深入分析,为碳纤维复合材料应用于飞机结构提供理论依据。

目前,大多数研究侧重于复合材料湿热老化后的静力学性能,对复合材料湿热老化后疲劳性能及湿热环境下冲击后疲劳性能的研究较少。由于孔隙是复合材料不可避免的缺陷,并且复合材料对冲击载荷非常敏感,因此研究湿热环境下孔隙对复合材料受冲击后疲劳性能的影响非常有意义,这将是纤维增强复合材料未来一段时间内重要的一个研究方向。

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