复合材料寿命预测方法研究

费楚然，王 伟

(中广核高新核材科技(苏州)有限公司，江苏 苏州 215435)

复合材料作为增强材料，在实际使用过程中会发生不可避免的老化，随着老化程度的积累，将对其本身使用性能造成影响。纤维增强树脂基复合材料具有优异的机械性能、抗疲劳性能优异、高温性能优良和可设计性佳等优点，但同时也有一些缺点，在服役环境下(如紫外光光辐射、温度、湿度、盐雾等)其性能易于恶化。在单一或多个环境因素综合的影响下均会导致纤维增强树脂基复合材料的性能发生变化[5]。在该环境因素的影响下导致基体、纤维或纤维/基体界面发生变化或破坏[6]。如在机械冲击、机械振动、应力、紫外光光辐射、温度、湿度、酸、碱、盐溶液和有机化合物作用下导致复合材料的纤维/基体界面发生变化或破坏[7]，导致复合材料使用寿命或者性能下降。

对于材料某个特定的性能参量，如材料强度，可能随着使用时间的增加，性能逐渐下降，也有可能在没有任何征兆的情况下大幅下降。环境的复杂性导致了材料强度老化的难以预测，给实际使用带来了巨大的风险。

因此，研究不同环境因素对复合材料性能影响的规律和机理[8]对其可靠性的评价非常重要，也将直接影响复合材料使用寿命的判断。

1 寿命评价方法与原理

1.1 老化终止性能指标的选择

聚合物基复合材料在实际使用过程中，作为增强材料，一直处于持续载荷状态，对其力学性能有着严格的要求。但，对于聚合物基复合材料而言，碳纤维和玻璃纤维耐老化性能远超过高分子聚合物，因此其老化主要表现为高分子聚合物的老化以及基体与增强纤维之间界面的破坏，在基体与增强纤维之间的界面未破坏前，即老化尚未通过纤维通道或基体中的细微通道对纤维表面或附近的基体产生脱离作用，拉伸强度可能变化不大。但与聚合物性能密切相关的弯曲强度、压缩强度以及Tg等可能较快的产生变化，可以比较直观的反映出来老化作用。

1.2 半经验数学模型

俄罗斯全俄航空材料研究院的Г.M.古尼耶夫等通过对复合材料的自然老化寿命研究，得出复合材料强度变化的半经验数学模型[9-10]可用式(1)描述：

S=S0+η[1-exp(-λt)]-βln(1+αt)

(1)

式中:S——表示老化t小时后复合材料的剩余强度，MPa

S0——表示复合材料的初始强度，MPa

η——表示复合材料的固化程度参数

λ——表示复合材料材料和外部环境参数

t——表示老化作用时间，h

β——表示复合材料抵抗裂纹扩展的能力参数

α——表示外部环境侵的蚀性系数

通过对式(1)分析研究，发现只采用单一的宏观参数α来表示环境中不同老化因素对复合材料性能的影响，不仅不能够反映实际老化环境不同因素的变化，也不能体现出复合材料在实际服役环境中受各个主要老化因素的影响，使得式(1)在复合材料老化环境中的使用受到局限。

影响复合材料的老化因素有很多，如紫外线、温度、湿度酸、碱、盐溶液和有机化合物等。在考虑复合材料工作环境中的主要老化影响因素的条件下，提出复合材料的老化剩余寿命(强度)预测公式：

S=S1-ΣAiln[1+Bit(xi)](i=1,2,……)[9]

(2)

式中:S——复合材料老化一定时间后的剩余强度

S1=S0+ΔS

S0——复合材料的初始强度值

ΔS——复合材料后固化的增强项

xi——环境老化因素

Ai——复合材料在一定环境老化谱下的老化因素xi

Bi——复合材料对老化因素xi的抗老化能力参数

t(xi)——老化因素xi的等效当量的老化时间，表示式为：

(3)

由于式(1)和式(2)所给出的是复合材料剩余强度的均值，其曲线是中值曲线，即它的可靠度为50%[2]，也就是说复合材料老化后，其老化剩余强度有一半大于求出的值，一半小于这个值[18]，这对于工程设计及应用的意义不是很大[11]。在工程结构设计中需要用到的是老化剩余强度的A基值(对应于95%置信度、99%可靠度的老化剩余强度最小值[1,5])和B基值(对应于95%置信度、90%可靠度的老化剩余强度最小值[1,5])，以及估算复合材料高置信度、高可靠度老化寿命的方法[12，17]。因此，式(1)转变为

SR=S’-βln(1+αt)-KR(t)σ

(4)

式中:SR——置信度为γ、可靠度为R的老化剩余强度，MPa

KR(t)——置信度为γ、可靠度为R的二维单侧容限系数[19-20]

σ——老化剩余强度的标准差

2 模型参数的确定

2.1 单因子老化模型参数的确定

在预测性的建模方面经常使用回归分析的方法[15]，通过利用数据统计原理，对大量单因子老化实验数据进行数学处理，从而来确定单因子变量与复合材料给定的性能的相关关系，以加速老化后的强度为S值，通过拟合得到各单因子老化的模型参数。这样求出的参数与真实值较为相近，使用此种方法不仅能够充分利用各个时间下的老化试验数据，而且所求得的参数相对准确。

2.2 多因子老化模型参数的确定

经过多因子共同老化，得到老化结果，并对老化后的强度进行拟合，得到各因子影响效应参数。

2.3 环境当量的确定

为了有效获得实际环境条件与加速老化条件的有效转换，必须获得有效的环境当量[13]计算公式。因此，需要进行不同各个单因子老化不同加速老化条件下的加速老化试验，并以最优的失效性能[14]得到不用条件下的曲线模型。比较分析不同条件下的曲线模型，得到环境当量的换算公式。

考虑到加速老化与环境老化的关系，引入环境当量K1、K2、K3，分别为:

(6)

(7)

(8)

式中:K1、K2、K3——高温、湿热、盐雾老化环境当量

t1、t2、t3、t4、t5、t6——加热高温老化、环境温度下、高温湿热、环境湿热、紫外加速老化、环境紫外老化时间

T1、T2、T3、T4——加热高温老化、环境温度下、高温湿热、环境湿热温度

φ3、φ4——高温湿热、环境湿热湿度

U5、U6——外加速老化、环境盐雾浓度

C1、C2、C3——高温、湿热、盐雾老化试验系数

根据试验，得到环境当量中高温、湿热、盐雾老化试验系数。

2.4 实际使用寿命的预估

对于原始未经使用的复合材料，我们可以通过测定其强度S0，以70%S0为失效点S(或测定Tg，以长期使用温度+15 ℃作为失效点)，并预估其实际使用中的温度、湿度、盐雾浓度等往年同期总量，代入式(5)来预测其使用寿命。

而对于已经使用过一段时间(t)的复合材料，想要估算其剩余寿命，可以采取相似的方法：如前所述，取S1=S0+ΔS，S0为初始强度值，ΔS为材料后固化增强项[16]，二者均为定值，其中S0可以取原始复合材料直接测出，根据拟合得到的S1值，我们可以计算得到ΔS，此时可以上式略加改动，改变初始条件，即变为S2=St+ΔS，其中，St通过实际测试得到，同样取70%S0为失效点，代入式(8)即可预测该复合材料的剩余使用寿命。

3 实验研究方案

在试验中，应该选择一个合理的失效性能作为检测手段，因此，首先应分别进行高温、湿热、盐雾等的单因子老化试验，并对不同时间的样品进行抗拉强度、弯曲强度、Tg、压缩强度等性能的检测，观察各种性能的变化趋势，选择最优的失效性能进行研究。同时，根据最优的失效性能，通过拟合得到单因子老化的曲线模型。加速老化无需达到最终的70%的失效点，只需得到一个有效的曲线模型。单因子老化相对多因子老化试验增加紫外光老化，观察其老化情况。

3.1 高温老化试验

高温老化试验，采用高温试验箱进行，分为三个不同的温度进行，分别为120 ℃、160 ℃和200 ℃。样品为同一批次同一工艺条件下的复合材料，每组复合材料样品，老化试样取样间隔500 h，预计最长老化时间5000 h。

3.1.1 高温老化实验试样的测试

由于复合材料在实际运行当中，处于受力状态，因此，首先考虑复合材料的抗拉强度指标。其次，复合材料在使用当中，由于使用环境温度的的影响，为保证复合材料的安全运行，复合材料的Tg不能太低，因此需要对复合材料的Tg进行测试。另为更好的反映复合材料的老化变化，补充测试复合材料的弯曲强度和压缩强度。

(1)抗拉强度

根据ISO 527-5:2009 《塑料·拉伸性能的测定.第5部分:单向纤维增强塑料复合物的试验条件》中拉伸强度的测试规定，采用(2.0±0.2) mm/min测试速度进行测试。

(2)Tg

按ISO 11357-2:2020《塑料·差示扫描量热法(DSC).第2部分:玻璃转变温度和断差膜厚的测定》中玻璃化转变温度测试的规定，采用半高法方法进行测试，测试条件20 K/min。

(3)弯曲强度

按照ISO 14125:1998《纤维加强的塑料复合物弯曲性能的测定》的规定，采用四点弯的方法进行测试。

(4)压缩强度

按照ISO 14126:1999 《纤维增强塑料复合材料平面方向压缩性的测定》中平面方向压缩性测试的规定，采用(1.0±0.2)mm/min测试速度进行测试。

3.1.2 高温老化实验数据的处理

每一组的高温老化实验的测试数据根据等式S=S1-βln(1+αt)进行百分回归拟合，得到相关的S1、α、β。预计得到相关模型在6个以上。后分析不同实验条件下的模型，得到运行环境下的模型。后根据运行环境下的模型得到在单独高温老化下复合材料的使用寿命。

3.2 湿热老化试验

湿热老化试验，采用湿热试验箱进行，分为三个不同的条件进行40 ℃+90%湿度、60 ℃+90%湿度、80 ℃+90%湿度。样品为同一批次同一工艺条件下的复合材料样品，每组试样，老化试样取样间隔500 h，预计最长老化时间5000 h[8]。

3.2.1 湿热老化实验试样的测试

湿热老化实验试样的测试，同3.1.1高温老化试样的测试，分别测试抗拉强度、Tg、弯曲强度、压缩强度。

3.2.2 湿热老化实验数据的处理

每一组的湿热老化实验的测试数据根据等式S=S1-βln(1+αt)进行百分回归拟合，得到相关的S1、α、β。预计得到相关模型在6个以上。后分析不同实验条件下的模型，得到运行环境下的模型。后根据运行环境下的模型得到在单独湿热老化下，复合材料的使用寿命。

3.3 盐雾老化试验

盐雾老化试验，采用盐雾试验箱进行，只进行一个条件下的老化实验，即ISO 4611:2010。样品为同一批次同一工艺条件下的复合材料，每组样品，老化试样取样间隔500 h，预计最长老化时间5000 h。

3.3.1 盐雾老化实验试样的测试

盐雾老化实验试样的测试，同3.1.1高温老化试样的测试，分别测试抗拉强度、Tg、弯曲强度、压缩强度。

3.3.2 盐雾老化实验数据的处理

每一组的高温老化实验的测试数据根据等式S=S1-βln(1+αt)进行百分回归拟合，得到相关的S1、α、β，并以失效点进行计算，得到在实验条件下，复合材料的使用寿命。

4 结 论

使用本文提出的复合材料老化实验方案，进行老化模型参数确定，建立老化寿命预测模型，能够比较全面的评估环境中不同老化因素(如光照、温度、湿度、盐雾等)对复合材料性能的影响，该方法不仅能够比较全面的评估环境中不同老化因素对材料性能的影响，还能充分考虑了主要因素对材料实际使用寿命的影响。

使用本文提出的复合材料寿命预测模型方案，充分考虑了材料在实际环境中的单因子和多因子耦合情况下对材料寿命和性能的影响，对在自然环境中材料寿命预测和剩余性能预估的研究方面有很强的参考性。