杜永, 馬玉娥

(西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 陜西 西安 710072)

因其高強(qiáng)度、高剛度和低比重等優(yōu)異的性能,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1-2]。航空航天材料在服役過(guò)程中不可避免地受到環(huán)境因素如溫度、濕度、化學(xué)腐蝕和紫外線輻射等的影響[3]。其中溫度和濕度對(duì)復(fù)合材料的影響最為顯著,導(dǎo)致其力學(xué)性能大幅降低甚至提前失效破壞[4-6]。

由于碳纖維基本不存在吸濕行為[7],濕熱環(huán)境中的水分主要被基體吸收。吸濕后材料的局部密度發(fā)生變化[8],基體的吸濕和水解導(dǎo)致分子量降低,最終導(dǎo)致纖維/基體界面分層降低了材料的宏觀力學(xué)性能[9-12]。在復(fù)合材料吸濕特性的研究中，應(yīng)用最廣泛的是Fickian模型[13]。隨著研究的進(jìn)一步深入,一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的吸濕過(guò)程呈現(xiàn)出階段性[14]:當(dāng)吸濕量小于飽和吸濕率60%時(shí),吸濕行為仍滿足Fickian模型;當(dāng)吸濕量大于飽和吸濕率60%時(shí),顯示出non-Fickian現(xiàn)象[15-16]。

在濕熱環(huán)境對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究中,主要的影響因素是溫度和濕度以及纖維和樹(shù)脂的類(lèi)型。Guermazi等[17]對(duì)比了濕熱環(huán)境下碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基、玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂基及混雜纖維復(fù)合材料的吸濕特性和力學(xué)性能退化,發(fā)現(xiàn)濕熱環(huán)境中水分和溫度引起復(fù)合材料基體塑化,從而導(dǎo)致復(fù)合材料的模量和強(qiáng)度降低。相比于玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料,碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量下降較小。楊旭東等[18]研究了3種濕熱環(huán)境下CFRP層合板的吸濕特性和性能退化機(jī)理,發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂基體上的親水基團(tuán)在85℃,85%RH的濕熱環(huán)境中僅與水分子通過(guò)氫鍵形成分子間締合而未發(fā)生化學(xué)反應(yīng),CFRP層板力學(xué)性能退化與化學(xué)變化無(wú)關(guān)。Kumar等[19]發(fā)現(xiàn)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能對(duì)吸濕較為敏感,復(fù)合材料浸泡1個(gè)月之后,其縱向拉伸強(qiáng)度下降了25%～30%,繼續(xù)浸泡強(qiáng)度基本保持不變,橫向拉伸強(qiáng)度隨著吸濕時(shí)間的增加呈快速下降趨勢(shì),面內(nèi)剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要集中在不同溫度、濕度和樹(shù)脂類(lèi)型對(duì)碳纖維復(fù)合材料吸濕特性和力學(xué)性能的影響[20-22],而對(duì)不同鋪層角度吸濕特性和力學(xué)性能的研究較少。故本文針對(duì)TG800/E207碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料,制備了[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s4種鋪層的試樣,研究了濕熱環(huán)境下復(fù)合材料鋪層角度對(duì)其吸濕特性和力學(xué)性能退化的影響。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s4種鋪層的TG800/E207碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料為試驗(yàn)對(duì)象,預(yù)浸料纖維含量為67%±2%,在125℃條件下固化而成,單層厚度為0.125 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

為了精確控制吸濕試驗(yàn)所需要的溫度和濕度,在恒溫恒濕環(huán)境箱中進(jìn)行吸濕試驗(yàn)。根據(jù)ASTM D5229[23]測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求,加速吸濕試驗(yàn)的最高溫度應(yīng)至少比濕態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)低25℃,E207環(huán)氧樹(shù)脂的濕態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為110℃,因此吸濕試驗(yàn)的溫度設(shè)置為80℃,相對(duì)濕度為90%。試驗(yàn)過(guò)程中,使用精度為0.1 mg的FA2104B電子分析天平,每隔24 h測(cè)量一次試驗(yàn)件質(zhì)量,當(dāng)試驗(yàn)件前后2次測(cè)量的質(zhì)量變化小于萬(wàn)分之一時(shí),認(rèn)為試驗(yàn)件在80℃,90%RH環(huán)境中達(dá)到吸濕飽和平衡。

根據(jù)ASTM D3039試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[24],采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn),加載速率為1 mm/min。試驗(yàn)在23℃干態(tài)(RTD)和23℃濕態(tài)(RTW)2種條件下進(jìn)行,每種鋪層的試樣各3件,使用顯微鏡觀察破壞形貌。對(duì)比2種環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果,比較和討論濕熱處理對(duì)不同鋪層碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料拉伸性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕熱試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 吸濕動(dòng)力學(xué)曲線

為了得到濕熱環(huán)境下復(fù)合材料吸濕曲線,根據(jù)(1)式對(duì)吸濕結(jié)果進(jìn)行處理,并對(duì)不同鋪層試驗(yàn)件的吸濕曲線進(jìn)行對(duì)比。

(1)

式中:Mt為試驗(yàn)件吸濕t小時(shí)后的吸濕率;W0和Wt分別為未吸濕和吸濕t小時(shí)后的試驗(yàn)件質(zhì)量。

圖1為不同鋪層角度的復(fù)合材料層合板吸濕曲線?？梢钥闯鯰G800/E207碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的吸濕曲線呈現(xiàn)出多階段現(xiàn)象。通過(guò)(2)式可以計(jì)算出每一階段的吸濕速率R。表1列出了各鋪層復(fù)合材料層板第一、二和三階段的吸濕速率。

表1 各階段吸濕速率

圖1 不同鋪層角度的復(fù)合材料層合板吸濕曲線

(2)

式中,M1和M2分別是吸濕時(shí)間為t1和t2時(shí)的吸濕量。

圖1中鋪層角度的不同導(dǎo)致趨于平衡時(shí)的吸濕量不同,但各鋪層試樣的吸濕曲線趨勢(shì)大致相同。各鋪層試樣的吸濕曲線數(shù)據(jù)為3件試樣的平均值,誤差均小于0.027%,數(shù)據(jù)分散性較小,如圖1所示。吸濕曲線可以根據(jù)吸濕時(shí)間劃分為4個(gè)階段。第一階段:吸濕時(shí)間小于24 h;第二階段,吸濕時(shí)間為24～96 h;第三階段,吸濕時(shí)間為96～648 h;第四階段,吸濕時(shí)間為648～1 608 h。前3個(gè)階段復(fù)合材料層板的吸濕量與時(shí)間的平方根均呈線性關(guān)系,第四階段復(fù)合材料層板的吸濕量隨吸濕時(shí)間的增加而逐漸趨于平衡。當(dāng)吸濕時(shí)間達(dá)到1 608 h時(shí),復(fù)合材料層板達(dá)到最終吸濕,[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s的最終吸濕量分別為0.870%,0.806%,0.843%和0.876%。[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復(fù)合材料層板的最終吸濕量與[0]16復(fù)合材料層板相比,分別相差-7.36%,-3.10%和0.69%。

從表1可以看出,同一鋪層復(fù)合材料層板的吸濕速率隨著吸濕時(shí)間的增加而減少。這是由于在吸濕過(guò)程中,水分子首先進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)部的空隙和裂紋等缺陷[20];然后水分子與樹(shù)脂中的高分子結(jié)合,使樹(shù)脂膨脹變形,纖維/基體界面產(chǎn)生分層,樹(shù)脂內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋[18],提供吸濕空間;最后樹(shù)脂中的高分子會(huì)發(fā)生化學(xué)變化,并且再次固化產(chǎn)生大量的親水基[25],進(jìn)一步吸濕。

2.1.2 濕熱損傷模式

圖2為吸濕過(guò)程中的復(fù)合材料層板損傷形貌。從圖2a)中可以看出,4種鋪層復(fù)合材料層板表面沒(méi)有明顯的分層、裂紋或其他損傷。在圖2b)中,4種鋪層復(fù)合材料層板都出現(xiàn)輕微的分層現(xiàn)象,這是由于碳纖維和樹(shù)脂基體的濕熱膨脹系數(shù)不同,在濕熱環(huán)境中,兩者的膨脹變形差異導(dǎo)致復(fù)合材料纖維/基體界面分層。在圖2c)中,除了微分層明顯增加外,還出現(xiàn)了一些微孔,說(shuō)明隨著吸濕時(shí)間的增加,水分子和樹(shù)脂基體的高分子進(jìn)一步結(jié)合,使樹(shù)脂產(chǎn)生水解、斷鏈、交聯(lián)結(jié)構(gòu)破壞等變化,造成宏觀上樹(shù)脂的破壞。[90]16試樣還出現(xiàn)了沿Z方向的輕微分層,這是由[90]16試樣的鋪層方向決定的。在圖2d)中,吸濕平衡時(shí)損傷情況更為嚴(yán)重,說(shuō)明吸濕損傷隨著吸濕時(shí)間的增加而進(jìn)一步增加。

圖2 吸濕過(guò)程中的損傷演化

2.2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 拉伸破壞形貌分析

圖3為23℃干態(tài)(RTD)和23℃濕態(tài)(RTW)條件下4種鋪層復(fù)合材料層板的破壞形貌。從圖3a)可以看出,在RTD條件下[0]16復(fù)合材料層板的纖維斷裂面較為平齊,在靠近夾持端處存在層間分層和界面脫膠。說(shuō)明在拉伸斷裂過(guò)程中,大部分的纖維是同時(shí)斷裂,纖維/基體界面沒(méi)有大范圍破壞,界面粘接性能良好。從圖3b)可以看出,在RTW條件下[0]16復(fù)合材料層板斷口處纖維束拔出,纖維/基體界面分層現(xiàn)象嚴(yán)重。說(shuō)明在RTW條件下纖維/基體界面性能明顯下降,界面失效后載荷傳遞不均,部分纖維首先斷裂導(dǎo)致纖維束拔出,最終導(dǎo)致復(fù)合材料層板破壞。從圖3c)可以看出,在RTD條件下[90]16復(fù)合材料層板的失效模式為基體拉伸斷裂,層板表面光滑,沒(méi)有可見(jiàn)損傷,斷口處有少許纖維束粘連。從圖3d)可以看出,在RTW條件下[90]16復(fù)合材料層板的主要失效模式仍為基體拉伸斷裂,但層板表面出現(xiàn)裂紋和孔洞等損傷模式,斷口處纖維束粘連明顯增多。這是由于在RTW條件下擴(kuò)散進(jìn)復(fù)合材料的水分子與樹(shù)脂基體中高分子結(jié)合,使得基體溶脹,體積增大,最終形成裂紋和孔洞。從圖3e)可以看出,在RTD條件下[±45]4s復(fù)合材料層板的主要失效模式是分層和纖維斷裂,且纖維斷裂主要集中在上下表面處的纖維層,而層板中間的纖維層主要為分層失效,纖維層較為完整。從圖3f)可以看出,在RTW條件下[±45]4s復(fù)合材料層板中各纖維層均出現(xiàn)嚴(yán)重的分層損傷以及纖維和基體斷裂,上下表面的纖維層呈現(xiàn)毛刺狀形貌,各纖維層已完全破壞,說(shuō)明濕熱環(huán)境下纖維/基體界面粘接性能完全退化。從圖3g)和3h)可以看出,在RTD和RTW條件下[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復(fù)合材料層板的主要失效模式均為分層和纖維斷裂,且在RTW環(huán)境下層板的纖維斷裂和分層現(xiàn)象更加嚴(yán)重,這一點(diǎn)與[±45]4s復(fù)合材料層板相似。但不同之處在于[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復(fù)合材料層板各纖維層并未完全破壞,這主要是由于0°纖維層在其中承擔(dān)了一部分載荷,而濕熱環(huán)境只是引起0°纖維層的分層,但對(duì)其強(qiáng)度影響較小,這一情況與[0]16復(fù)合材料層板的破壞模式相吻合。

圖3 不同鋪層層合板在RTD和RTW環(huán)境下拉伸斷口形貌

2.2.2 載荷位移曲線

圖4為23℃干態(tài)(RTD)和23℃濕態(tài)(RTW)條件下4種鋪層復(fù)合材料層板的載荷位移曲線。從圖4a)中可以看出,在RTD條件下[0]16復(fù)合材料層板的載荷位移曲線呈線性增長(zhǎng),且斜率大于RTW條件下的曲線。但是當(dāng)加載到45 kN時(shí),RTW條件下曲線開(kāi)始偏折,斜率降低,對(duì)應(yīng)復(fù)合材料層板最外層纖維層產(chǎn)生損傷,這是由于濕熱環(huán)境中復(fù)合材料的最外層首先達(dá)到并始終處于吸濕平衡狀態(tài),也說(shuō)明[0]16復(fù)合材料層板的損傷也是由外向內(nèi)逐層產(chǎn)生的。從圖4b)中可以看出,2種條件下[90]16復(fù)合材料層板的載荷位移曲線趨勢(shì)相同,均是在載荷達(dá)到峰值后發(fā)生突降。這是由于[90]16復(fù)合材料層板的失效模式為基體拉伸斷裂,而碳纖維吸濕能力有限,水分?jǐn)U散主要在樹(shù)脂基體內(nèi)。從圖4c)中可以看出,在初期加載階段,[±45]4s復(fù)合材料層板的載荷位移曲線呈線性增加,2種條件下曲線基本重合;隨著載荷的進(jìn)一步增加,進(jìn)入損傷階段,曲線斜率降低,且RTW條件下的曲線斜率小于RTD條件下斜率,說(shuō)明在此階段RTW條件下層板的承載能力小于RTD條件下的承載能力;在最終失效階段,RTD條件下層板在載荷達(dá)到峰值后發(fā)生突降,但RTW條件下層板的曲線發(fā)生輕微波動(dòng)后發(fā)生突降,說(shuō)明在載荷峰值后RTW條件下層板的破壞并不是所有纖維層同時(shí)破壞,仍有一部分纖維層可以承載,只是承載能力不足所以很快便發(fā)生載荷突降。從圖4d)中可以看出,2種條件下[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復(fù)合材料層板的載荷位移曲線趨勢(shì)相同,且與[90]16復(fù)合材料層板類(lèi)似,RTW條件下的曲線斜率小于RTD條件下的斜率。

圖4 在RTD和RTW環(huán)境中復(fù)合材料層合板載荷-位移曲線

表2為23℃干態(tài)(RTD)和23℃濕態(tài)(RTW)條件下[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復(fù)合材料層板的失效載荷和失效位移的對(duì)比,其中失效載荷和失效位移均為3個(gè)有效數(shù)據(jù)的平均值。可以看出在RTW條件下[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復(fù)合材料層板的失效載荷相比RTD條件分別降低了13.80%,27.36%,10.70%和25.60%;失效位移分別降低了1.93%,1.20%,10.69%和1.51%。其中[90]16的失效載荷降低最多且最終吸濕量最小,如圖1所示,這是由于濕熱環(huán)境中水分主要引起樹(shù)脂基體的性能退化,而[90]16試驗(yàn)件的失效模式為基體拉伸斷裂。

表2 2種條件下4種鋪層復(fù)合材料層板的破壞載荷和破壞位移比較

3 結(jié) 論

1) 濕熱環(huán)境中TG800/E207碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料層板的吸濕曲線呈現(xiàn)多階段性,同一鋪層復(fù)合材料層板的吸濕速率隨著吸濕時(shí)間的增加而減少;其各階段吸濕速率和最終吸濕量受鋪層的影響,與[0]16復(fù)合材料層板相比,[90]16、[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復(fù)合材料層板最終吸濕量分別相差-7.36%,-3.10%和0.69%。[90]16的最終吸濕量最低,僅為0.806%;[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s的最終吸濕量最高,為0.876%。

2) 在吸濕試驗(yàn)中,碳纖維和樹(shù)脂基體的濕熱膨脹差異導(dǎo)致試樣表面出現(xiàn)輕微的分層和微孔等損傷,且隨著吸濕時(shí)間的增加吸濕損傷逐漸增加。

3) RTD條件下復(fù)合材料層板纖維/基體界面性能明顯強(qiáng)于RTW條件下的界面性能,[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復(fù)合材料層板的主要失效模式分別為纖維斷裂、基體斷裂和分層。

4) 與RTD條件下復(fù)合材料的失效載荷和失效位移相比,RTW條件下復(fù)合材料層板的失效載荷和失效位移減小,[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s的失效載荷分別降低了13.80%,27.36%,10.70%和25.60%;失效位移分別降低了1.93%,1.20%,10.69%和1.51%。其中[90]16的失效載荷下降最多且最終吸濕量最小,所以濕熱環(huán)境對(duì)[90]16層板的力學(xué)性能影響最大。