湿热环境对碳纤维复合材料性能影响的研究进展

仇哲豪 王坤 李逸炜

摘 要：随着新材料的不断发展，纤维复合材料因诸多优异性能被广为应用，但由于其工作环境湿度和温度较高，很大程度上影响了材料的部分性能，本文总结归纳有关研究进展，分析了材料吸湿机理和湿热环境对力学、疲劳性能的影响。

关键词：吸湿性;碳纤维复合材料;力学性能;疲劳性能

复合材料是指选择合适成熟的材料制备技术将有机高分子、无机非金属或金属等多种不同性质的材料组分优化组合而成的新型人造材料。复合材料之所以能被广泛运用于各个领域，是因为其不仅可以充分保持各组分材料优势性能，而且还能通过各组分性能的互补和关联产生单独组成材料所不具有的综合性能。在复合增强材料中，碳纤维由于具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、抗蠕变、传热、导电、低的热膨胀系数等一系列优异的性能，被学者广为青睐。然而，此类复合材料在长期的使用过程中，经常暴露在湿热环境中，湿热老化造成的腐蚀效应对材料产生巨大影响。本文从材料吸湿机理以及湿热环境对材料性能影响出发，对该领域已有的研究成果进行整理归纳。

一、吸湿机理

碳纤维复合材料的吸湿行为是一个非常复杂的物理化学现象。其作为一种树脂基复合材料，由于自身的结构特点及应用领域，导致必然会受到湿热环境的腐蚀，从而引起复合材料性能的波动变化。

王世明[1]研究显示表明，在一般情况下，复合材料的吸湿过程遵循Fick第二定律，随着吸湿时间的增长，吸湿量经历从显著增加到不再变化的过程，进而达到一种动态平衡状态。复合材料的吸湿过程中，水分子扩散和基体链松弛过程是同时进行的，随着水分子的渗透和扩散，聚合物的缓慢松弛过程包括聚合物链缓慢重排、聚合物溶胀、老化等，基体和界面的性能会受到很大的影响。

赵鹏则[2]指出水通过毛细作用的方式进入复合材料比扩散更突出，有实验表明，水通过纤维与基体界面的扩散速率比通过无气孔树脂浇鑄体的扩散速率要快450倍之多。

在材料的制造过程中，有机物的分解挥发和材料自身的收缩变化[3]，不可避免地造成孔隙。袁晓文等[4]研究了不同基体复合材料的孔隙率对吸湿性的影响，认为复合材料的吸湿性能随着孔隙率的增加而增加，在达到饱和后，经过氧化将进一步提高，并随着温度的增加会出现一个峰值。

综上所述，水分子进入复合材料的方式主要有产生毛细作用通过纤维/基体间的界面进入，由扩散作用通过树脂基体以及通过复合材料中的裂纹或孔隙进入。在总结了对复合材料吸湿性部分机理的研究后，本文将进一步归纳吸湿性对材料其他性能的研究进展现状。

二、吸湿对力学性能的影响

王迎芬等[5]采用国产碳纤维T700/BMI和T700S/BMI两种复合材料层合板进行90°拉伸强度、0°压缩强度和层间剪切强度实验.其测试环境设置主要针对实验温度和干湿度进行变量改变。试验结果表明随着温度和环境湿度的增加，材料拉伸强度和剪切强度都有明显的下降。

Ray[6]等提出湿热老化造成界面性能的退化对复合材料整体性能影响显著。当基体吸收水分子后，纤维与树脂具有不同的湿热膨胀系数，在纤维/树脂界面间产生了一定的剪应力，当该应力值大于界面间的粘结力时，会导致界面发生脱粘，影响了界面间应力的均匀传递，使得材料的整体性能降低。

吕小军等[7]研究了环境因素对碳纤维增强复合材料力学性能的影响，进行了盐水浸泡腐蚀试验，确定了溶液的温度是对力学性能影响最显著的因素。认为原因在于温度升高，热作用使分子链段运动加剧，分子间作用力减弱，加速形成分子间空隙，有利于水分子进入，扩散系数大，致使材料的吸湿速率和饱和吸湿量均增大，对复合材料的力学性能产生较大影响。

李向阳等[8]通过建立一个分析含面板内分层损伤的复合材料夹层板屈曲性能的二维弹性基础模型，验证了温度的急剧变化、潮湿的外部空间等均会引起变形、内部应力、材料性能变化、损伤、开裂和破坏等复杂的湿热效应，使得分层结构更易发生屈曲和分层扩展，导致所设计的夹层结构承载能力下降。

王晓洁等[9]在复合材料湿热老化研究中，发现有些材料性能变化会出现起伏。认为温度和湿度对材料性能的影响有相互矛盾的两个方面：一方面湿气的渗透，使树脂基体发生增塑，且与基体中的某些化学键相互作用削弱了复合材料的界面性能，导致抗拉伸强度降低;另一方面，高温使材料中的树脂固化程度增加，引起性能的提高。两种作用的强弱不同和相互消涨，导致材料力学性能出现起伏，使复合材料性能变化较单纯热或湿作用更为复杂。

综上所述，吸湿性能使得复合材料在一定时间内是本身含水分子量不断上升，并随着环境温度增加，材料的界面结合能力、拉伸强度抗开裂能力等力学性能总体朝着下降的趋势发展;然而，由于环境湿度和温度对复合材料在某些方面有着相反的作用效应，导致材料性能也会有所上下波动。因此，在工程设计和运用中需要注意此方面的问题。

三、湿热环境对疲劳性能的影响

纤维复合材料在各个领域的应用过程中遭受各种环境因素的影响，经众多学者研究表明其中湿度与温度两个因素对材料的性能影响最大：

Vauthier[10]等研究表明：（1）在70°C水浸泡下，由于水分子向局部微裂缝的渗透，复合材料的疲劳寿命会受到严重影响;（2）湿热老化作用引起材料的缺陷会导致材料疲劳性能明显退化。

Yang[11]采用宏观脱胶实验的方法研究了复合材料在水浸泡下的疲劳性能，研究表明吸湿后基纤界面的剪切强度受到影响，在疲劳荷载作用时界面传递荷载的能力严重下降。

沙勐[12]认为承受疲劳载荷时，复合材料内部出现的初始损伤形式主要是基体裂纹和界面脱粘，基体裂纹和界面脱粘现象的存在促进了水分子在复合材料内部的扩散，引起基体主要是界面性能的退化，加快了基体裂纹或界面脱粘等损伤形式的扩展，因此，湿热环境下复合材料疲劳寿命相比室温环境下的疲劳寿命有明显降低。

综上所述，湿热环境在一定程度上降低了复合材料疲劳性能，其主要途径仍集中在水分子在材料内部扩散使得裂纹扩展，界面粘结失效等破环形式。

四、结论与展望

纤维复合材料由于其各项优异性能，被应用于航天、汽车等多领域中，其工作在湿热环境中。上述诸多学者研究表明材料的吸湿主要通过水分子在纤维的吸收及扩散，水分子沿纤维-基体界面的毛细作用及水在孔隙、微裂纹和界面脱粘等缺陷中的聚集作用，这严重影响材料的力学性能，而目前学者们对于湿热环境下疲劳性能的研究主要集中于GFRP、BFRP等材料，而对于脆性与强度较高的CFRP材料，其研究较少。为进一步提高纤维复合材料的使用效率，仍有待研究。

参考文献：

[1]王世明. 温度与湿度环境对碳纤维复合材料力学行为的影响研究[D].南京航空航天大学，2011.

[2]赵鹏. 纤维增强树脂基复合材料湿热老化性能研究[D].南京航空航天大学，2009.

[3]贺福，王茂章.碳纤维及其复合材料 [M ].北京： 科学出版社，1995： 200—206.

[4]袁晓文，成来飞，张立同.孔隙率对碳/碳复合材料抗氧化性能与吸湿性能的影响[J].西北工业大学学报，1998（04）：632-636.

[5]王迎芬，彭公秋，谢富原.国产T700级碳纤维/BMI复合材料湿热性能[J].材料科学与工艺，2018，26（03）：16-22.

[6]RAY B.Temperature Effect during Humid Ageing on Interfaces of Glass and Carbon Fibers Reinforced Epoxy Composites [J].Journal of Colloid and Interface Science，2006，298（1）：111-117.

[7]吕小军，张琦，项民，刁鹏，栗晓飞，谢国君.环境因素对复合材料力学性能的影响[J].中国腐蚀与防护学报，2007（02）：97-100.

[8]李向阳，蒋莉，张志民.湿热环境对损伤分层复合材料夹层板屈曲性能的影响[J].复合材料学报，2000（04）：110-113.DOI：10.13801/j.cnki.fhclxb.2000.04.024

[9]王晓洁，梁国正，张炜，谢群炜，张家宜.湿热老化对高性能复合材料性能的影响[J].固体火箭技术，2006（04）：301-304.

[10]VAUTHIER E，ABRY J，BAILLIEZ Tetal.Interactions between Hygrothermal Ageing and Fatigue Damage in Unidirectional Glass/epoxy Composites[J].Composites Science and Technology，1998，58（5）：687-692.

[11]YANG J，LEE L，SHEU D.Modulus Reduction and Fatigue Damage of Matrix Dominated Composite Laminates[J].Composite Structures，1992， 21（2）：91-100.

[12]ZHANG Y，VASSILOPOULOS A P，KELLER T.Environmental Effects on Fatigue Behavior of Adhesively-bonded Pultruded Structural Joints[J].Composites Science and Technology，2009，69（7）：1022-1028.

作者簡介：

仇哲豪，男，汉族，江苏南通人，江苏大学本科在读，土木工程方向

王坤，男，汉族，河南南阳人，江苏大学本科在读，土木工程方向

李逸炜，男，汉族，山西晋城人，江苏大学本科在读，土木工程方向

【基金项目】大学生创新创业训练计划项目（编号：202010299361X）