樊俊鈴，馬國慶，焦婷，陳曾美，韓嘯

1.中國飛機強度研究所 強度與結(jié)構(gòu)完整性全國重點實驗室，陜西 西安 710065

2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024

近年來,碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域如航空航天、軌道交通、風(fēng)力發(fā)電和汽車制造業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)[1-3],還擴展到了高端醫(yī)療、建筑行業(yè)等領(lǐng)域[4]。碳纖維增強復(fù)合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強體,以樹脂、陶瓷等為基體制備而成的復(fù)合材料。由于碳纖維增強復(fù)合材料具有高比強度、高比剛度、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、低熱導(dǎo)率和高殘?zhí)柯实戎T多優(yōu)點,其被廣泛應(yīng)用于制造彈體整流罩、儀器艙等主要承力部件,而且在航空器結(jié)構(gòu)的用量上,波音787飛機和空客A350飛機的機身復(fù)合材料用量已達到了50%以上[5-6]。碳纖維增強復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的多樣性決定了其服役環(huán)境的復(fù)雜性,影響其性能的環(huán)境因素包括溫度、濕度、化學(xué)腐蝕、紫外線和沖擊載荷等,其中濕熱環(huán)境老化因素是導(dǎo)致CFRP 性能下降的重要原因之一。當前,濕熱環(huán)境下的復(fù)合材料損傷演化、服役壽命預(yù)測方法和試驗技術(shù)尚未形成完整的研究體系,過度簡化了服役環(huán)境對復(fù)合材料的老化作用機理。

本文歸納整理了國內(nèi)外學(xué)者圍繞加速老化環(huán)境試驗、力學(xué)性能退化規(guī)律和濕熱環(huán)境老化建模等研究工作,圍繞溫度和濕度等環(huán)境因素及其聯(lián)合影響對CFRP 的作用機理,闡述了CFRP內(nèi)部的水分擴散和損傷失效行為,討論了CFRP在濕熱環(huán)境老化研究方面存在的問題和挑戰(zhàn),并對可行的研究方向進行了展望。本文可以為CFRP的設(shè)計與制造、濕熱條件下的損傷機理研究和服役壽命預(yù)測提供有益參考。

1 碳纖維增強復(fù)合材料環(huán)境影響因素

影響碳纖維增強復(fù)合材料性能的因素主要可以分為兩類:外部環(huán)境因素和材料自身屬性因素。CFRP在長期服役過程中,受到的環(huán)境干擾因素主要為溫度、濕度、化學(xué)腐蝕、紫外線和外部載荷。碳纖維的吸濕能力有限,對CFRP 而言,其吸濕量主要取決于樹脂,樹脂性能易受到環(huán)境的影響發(fā)生較大改變[7]。CFRP為各向異性材料,其性能同時受到增強相材料、基體材料和制造工藝等影響,如碳纖維型號、纖維與基體的體積比、纖維鋪層方向和固化工藝等[8-9]。本文主要從濕熱環(huán)境因素對CFRP性能的老化影響進行歸納與分析。

復(fù)合材料環(huán)境老化試驗方法主要包括自然環(huán)境老化試驗和實驗室環(huán)境加速老化試驗兩類。國內(nèi)外研究人員為了縮短研究周期、掌握CFRP在復(fù)雜環(huán)境下的性能變化規(guī)律,實現(xiàn)對CFRP 濕熱老化后的壽命預(yù)測,通常采用加速老化試驗方法模擬實際環(huán)境中出現(xiàn)的老化影響因素[10-12]。利用實驗室設(shè)計開展加速老化試驗,通常將材料長期浸入指定溫度的介質(zhì)溶液中直至其吸濕飽和。Mamalis 等[13]為模擬由碳纖維增強復(fù)合材料制造的渦輪葉片在海水環(huán)境中的老化狀態(tài),將樣本浸泡在50℃海水箱中持續(xù)6個月,發(fā)現(xiàn)由于海水老化導(dǎo)致材料強度明顯下降。Mouzakis等[14]為了研究溫度、濕度和紫外線輻射共同作用對復(fù)合材料的影響,設(shè)計了可以提供循環(huán)條件的老化環(huán)境室,對材料的拉伸性能和彎曲性能進行了測試,結(jié)果顯示,復(fù)合材料的剛度增加而強度有所下降,并且在老化后的試件表面觀察到了微小裂紋。陳偉明等[15]研究發(fā)現(xiàn)T800 碳纖維增強復(fù)合材料干態(tài)層間剪切強度達到122MPa。經(jīng)過95℃蒸餾水浸泡后,該復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變活化能變化幅度較小。我國航空工業(yè)標準HB 7401—1996《樹脂基復(fù)合材料層合板濕熱環(huán)境吸濕試驗方法》也建立了實驗室加速干燥和吸濕方法標準,該方法可以保證試驗材料在工程能接受的較短時間內(nèi)模擬其長期使用環(huán)境中可能達到的吸濕量。

2 溫度對碳纖維增強復(fù)合材料性能影響研究

2.1 高溫環(huán)境

樹脂基碳纖維增強復(fù)合材料通常采用高溫?zé)峁袒蛘哒婵崭邏旱姆绞匠尚蝃16]。CFRP處在高溫環(huán)境中,會加劇分子熱運動,基體發(fā)生軟化,基體與纖維界面黏結(jié)性能降低,且纖維和基體的熱膨脹系數(shù)存在差異,產(chǎn)生“離骨”現(xiàn)象,導(dǎo)致材料被破壞[17]。Wang 等[18]在22～706℃條件下對單向碳纖維增強復(fù)合材料層合板進行拉伸強度試驗,表1 總結(jié)了試件在不同溫度下施加拉伸載荷的失效模式。同時,圖1(a)表明CFRP 試件的拉伸強度隨溫度升高明顯降低。在520℃以下,應(yīng)力與位移呈線性關(guān)系,在625～706℃之間,碳纖維發(fā)生氧化導(dǎo)致纖維損傷,應(yīng)力與位移呈非線性關(guān)系。觀察圖1(b)發(fā)現(xiàn),在20～150℃和450～706℃之間,CFRP 拉伸強度下降明顯,300℃時的拉伸強度約為室溫下的50%。

譚偉等[19]在80℃環(huán)境下對正交型樹脂基碳纖維增強復(fù)合材料層合板的層間力學(xué)性能退化行為進行研究發(fā)現(xiàn),在試驗初期階段,CFRP 層間剪切強度明顯提高,層間拉伸強度無明顯退化,但隨著高溫老化時間增加,拉伸強度和剪切強度均有退化。剪切強度先升高后降低有兩個可能原因,一是樹脂在高溫下產(chǎn)生了后固化現(xiàn)象,二是高溫環(huán)境使得制造CFRP時產(chǎn)生的界面內(nèi)應(yīng)力得到釋放。隨高溫老化時間增加,樹脂增塑和樹脂/纖維界面黏結(jié)力降低,造成拉伸強度和剪切強度的降低。通過掃描電鏡（SEM）雙測CFRP的斷裂面,發(fā)現(xiàn)老化前的CFRP 斷裂面顯示出纖維表面被樹脂完整包覆,說明老化前的破壞主要是樹脂開裂引起的,如圖2(a)所示。而老化后的CFRP 斷裂面可以觀察到裸露的斷裂碳纖維,說明樹脂與基體的黏結(jié)力顯著減弱,如圖2(b)所示。馮振宇等[20]研究發(fā)現(xiàn)單向碳纖維增強復(fù)合材料層合板經(jīng)不同溫度烘干后,其壓縮強度無顯著變化,但濕熱因素同時作用,復(fù)合材料的壓縮強度隨溫度及濕度升高而下降。

表1 不同溫度下施加拉伸載荷的失效模式［18］Table 1 Failure modes of specimens subjected to tensile loads at different temperatures［18］

圖1 碳纖維增強復(fù)合材料板在不同溫度下的力學(xué)性能[18]Fig.1 Mechanical properties of CFRP plate at different temperatures[18]

圖2 碳纖維增強復(fù)合材料斷裂面SEM圖像[19]Fig.2 SEM images of fracture surface in CFRP composite[19]

許多學(xué)者在研究溫度對碳纖維增強復(fù)合材料老化性能影響中,采用了試驗測定與數(shù)學(xué)模型驗證聯(lián)合分析的方法。陳明[21]利用ABAQUS 建立了10 層碳纖維增強復(fù)合材料模型,分析試驗和仿真結(jié)果得出溫度升高帶來的熱應(yīng)力和樹脂軟化分解是導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能下降的主要原因。譚偉等[19]提出了層內(nèi)損傷力學(xué)模型,建立了一種高溫老化下的失效預(yù)測模型,對老化后的碳纖維增強復(fù)合材料層間力學(xué)性能進行失效預(yù)測,并得到不同老化衰減系數(shù)下的退化模型,同時結(jié)合試驗結(jié)果驗證預(yù)測模型,仿真與試驗數(shù)據(jù)誤差小于10%,說明了預(yù)測模型的準確性。張穎軍等[22]改進了古尼耶夫中值老化公式,使得改進公式能夠在不同老化環(huán)境中進行等效計算,并建立了碳纖維增強復(fù)合材料老化剩余強度的估算公式。結(jié)果表明,改進公式能夠反映老化因素對材料性能的影響,與試驗結(jié)果吻合較好。但該公式忽略了后固化隨溫度升高和時間增加對材料的增強作用,賈少澎等[23]據(jù)此改進公式,將碳纖維增強復(fù)合材料層合板在高溫下發(fā)生的后固化增強作用與高溫對纖維/基體界面產(chǎn)生的削弱作用進行合并,并考慮溫度、濕度和時間對材料性能的疊加影響。通過將試驗值與預(yù)測值進行對比,驗證了該強度估算公式的誤差控制在5%以內(nèi)。

研究表明,在高溫環(huán)境下,CFRP 層間剪切強度由于后固化的作用可能會在試驗初期有所提高,而拉伸強度則會隨著時間的增加而下降。高溫環(huán)境會導(dǎo)致樹脂增塑和纖維/基體界面黏結(jié)力的減弱,進而影響材料的力學(xué)性能。然而,研究中存在一些不足之處,例如,缺乏對高溫下樹脂后固化和界面黏結(jié)力變化的詳細探究,以及對于預(yù)測模型的準確性和誤差控制的驗證也需要更多的試驗數(shù)據(jù)支持。

2.2 低溫環(huán)境

碳纖維增強復(fù)合材料具有高比強度、高比模量和良好的熱學(xué)性能,是制備超低溫貯箱的首選材料之一。Yang等[24]研究發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂基體的彈性模量和熱膨脹系數(shù)與溫度近似呈線性相關(guān),如圖3 所示。利用建立的有限元模型對低溫下的殘余應(yīng)力進行預(yù)測,圖4 表明兩個相鄰纖維的距離越近,纖維之間的基質(zhì)中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力越高。Coronado等[25]研究發(fā)現(xiàn)單向碳纖維增強復(fù)合材料層合板在低溫時表現(xiàn)出更脆的特性,并且隨著溫度升高,基體延展性顯著增加。

從微觀角度分析,溫度降低,碳纖維增強復(fù)合材料基體發(fā)生收縮和硬化,體積變小使得分子間距縮短,分子間作用力增加,基體的彈性模量和拉伸強度增加、熱膨脹系數(shù)降低。在低溫環(huán)境中,樹脂和碳纖維的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致產(chǎn)生殘余應(yīng)力,造成材料內(nèi)部產(chǎn)生橫向裂紋和脫黏。

圖3 環(huán)氧樹脂的彈性模量、熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系[24]Fig.3 Relationship between elastic modulus, thermal expansion coefficient and temperature of epoxy resin[24]

圖4 有限元模型在-180℃下模型預(yù)測的殘余應(yīng)力分布[24]Fig.4 The residual stress distribution predicted by the finite element model at -180℃[24]

3 濕度對碳纖維增強復(fù)合材料性能影響研究

3.1 水分擴散理論

碳纖維性能穩(wěn)定,吸濕能力有限,對多數(shù)樹脂基碳纖維增強復(fù)合材料而言,吸濕量主要由樹脂決定。水分在樹脂基碳纖維增強復(fù)合材料中的擴散主要分為兩部分:（1） 水分滲入樹脂基體內(nèi)部致使樹脂溶脹,增加樹脂分子間距,增加分子鏈柔性,導(dǎo)致樹脂增塑[26-27]；（2） 在制造CFRP 的過程中,不可避免的材料缺陷、空隙、裂紋會導(dǎo)致水分子聚集,使得CFRP內(nèi)部能夠儲存更多的水分。增塑現(xiàn)象會造成樹脂拉伸強度和彈性模量的降低[28]。雖然眾多研究中CFRP的材料、環(huán)境溫度和固化工藝不同導(dǎo)致其水分擴散水平差異較大,但鋪層方式對水分擴散速率的影響較小,見表2。

表2 不同鋪層方式的碳纖維增強復(fù)合材料吸濕特性Table 2 Hygroscopic properties of CFRP with different layup configurations

碳纖維增強復(fù)合材料長期暴露在濕熱環(huán)境中,會導(dǎo)致可逆的物理變化和不可逆的化學(xué)反應(yīng)[32],如熱膨脹會隨著濕度和溫度的降低而下降,但水解反應(yīng)和微裂紋擴散是不可逆的。水分主要從以下三方面影響碳纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)性能:（1） 水分在基體中擴散造成基體的力學(xué)性能變化；（2） 水分在基體中擴散,使得基體膨脹,導(dǎo)致纖維與基體脫離,造成CFRP界面性能的下降[33]；（3） 吸濕過程中,樹脂基體與碳纖維的吸濕膨脹系數(shù)使得界面產(chǎn)生了濕應(yīng)力[34]。隨著吸濕量的增加,CFRP 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、拉伸強度、彎曲強度、層間剪切強度和彈性模量降低,但韌性有所增加[35-37]。

3.2 吸濕老化試驗

碳纖維增強復(fù)合材料的吸濕能力受溶液類型、溫度、基體材料、制造工藝和纖維體積分數(shù)等因素影響。為探究上述因素對碳纖維增強復(fù)合材料吸濕能力的影響及引起的材料性能退化情況,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。徐健[38]將CFRP 層合板在60℃水浴環(huán)境下分別浸泡5 天、20 天和75天,發(fā)現(xiàn)CFRP 層合板的水分吸收速率隨吸濕量的增加而逐漸降低,直至材料達到吸濕飽和。通過解析Fick 擴散定律,得到該CFRP層合板的吸濕飽和時間為75天,飽和吸濕量為1.11%,平均吸濕率為1.95×10-7m2/s,吸濕環(huán)境如圖5所示。

Kafodya 等[39]研究了浸泡在蒸餾水中和海水中的單向碳纖維增強復(fù)合材料層合板吸濕性差異和對其力學(xué)性能的影響。通過試驗對比發(fā)現(xiàn),碳纖維增強復(fù)合材料層合板在海水溶液中的平衡吸濕量比在蒸餾水中高,但是其擴散速率低于在蒸餾水中的擴散速率。因為海水中的離子對材料表面有腐蝕作用,使得CFRP表面被破壞,得到了更高的平衡吸濕量,但是海水中的高濃度鹽分阻礙了水分滲透,造成了擴散速率的差異。經(jīng)過20周的浸泡后,兩種溶液中的碳纖維增強復(fù)合材料拉伸強度均無明顯變化,如圖6(a)所示。對于層間剪切強度,蒸餾水中的碳纖維增強復(fù)合材料下降約22.3%,海水中下降約25.9%,如圖6(b)所示。

圖5 碳纖維增強復(fù)合材料層合板吸濕試驗[38]Fig.5 Moisture absorption test of CFRP laminates[38]

Da Silva 等[40]對浸在蒸餾水和人造海水中的單向圓柱形碳纖維增強復(fù)合材料棒橫截面進行觀測,發(fā)現(xiàn)了纖維/基質(zhì)界面的脫黏現(xiàn)象。海水環(huán)境中的復(fù)合材料損傷程度高于蒸餾水中的復(fù)合材料,且損傷由相對稀疏和較小的空隙組成。

馬賀[41]經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),相同溫度下,單向碳纖維增強復(fù)合材料層合板的吸濕率和平衡吸濕量均低于相同基體材料的澆鑄體。分析其原因,CFRP具有額外的吸濕量是因為水分的梯度擴散逐漸演變成沿材料缺陷和空隙發(fā)生毛細流動。在擴散速率方面,南田田等[42]經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn),恒溫恒濕的環(huán)境下,水分主要擴散至樹脂基體中,水分擴散速率幾乎呈線性變化；同時水分擴散速率主要受溶脹應(yīng)力和高聚物松弛程度影響,后期吸濕率增加緩慢,逐漸達到平衡,但在短時間內(nèi)難以達到飽和。

圖6 碳纖維增強復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能退化[39]Fig.6 Degradation of mechanical properties of CFRP laminates[39]

Zhang 等[43]就厚度對單向碳纖維增強復(fù)合材料層合板吸濕的影響進行了研究,經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn),在相同的老化時間下,隨著樣品厚度的增加,CFRP 層合板的吸濕率在浸入初期降低,在浸入后期增加。同時,彎曲強度保持率通常隨著樣品厚度增加而增加,在吸濕老化中,也具有更好的強度保持行為。而拉伸性能主要由碳纖維的性能決定,其受到吸濕行為的影響較小。同時提出了加速因素分析模型,利用離散數(shù)據(jù)對CFRP 的老化行為進行了預(yù)測,并且與其所測得的試驗數(shù)據(jù)相吻合。

Liu 等[44]研究交叉型碳纖維增強復(fù)合材料層合板的抗高速沖擊性能時發(fā)現(xiàn),由于水分使得基質(zhì)軟化,老化后的復(fù)合材料抗沖擊性能得到了提高,彈道沖擊測試系統(tǒng)如圖7所示。

布特[45]通過對不同堆疊情況的碳纖維增強復(fù)合材料層合板做低速沖擊試驗,研究發(fā)現(xiàn)不同堆疊情況對CFRP 層合板吸濕擴散速率、吸濕量和低速沖擊性能有著明顯的影響。交叉層結(jié)構(gòu)使用越多,碳纖維增強復(fù)合材料的吸濕能力越低。鋪層數(shù)量越多,水分吸收越緩慢。

上述學(xué)者開展了對CFRP 吸濕性能、力學(xué)性能和沖擊性能的研究。在吸濕性能方面,CFRP的水分吸收速率隨吸濕量的增加而逐漸降低。研究發(fā)現(xiàn)在海水環(huán)境下,復(fù)合材料的吸濕量較高但擴散速率較慢,并且吸濕率隨復(fù)合材料厚度增加而降低。在力學(xué)性能方面,海水和蒸餾水環(huán)境對CFRP的拉伸強度無明顯影響,但其層間剪切強度隨浸泡時間的增加明顯下降。水分促進CFRP 基質(zhì)軟化,提高了其抗沖擊性能。

3.3 吸濕模型

圖7 彈道沖擊測試[44]Fig.7 Ballistic impact testing[44]

現(xiàn)有文獻表明,碳纖維增強復(fù)合材料中基體高聚物的吸濕會降低材料性能[46]。為了準確預(yù)測CFRP 由于吸濕引起的力學(xué)、熱物理性能的長期老化行為,通過建模方法預(yù)測復(fù)合材料吸濕量對研究在役材料損傷和結(jié)構(gòu)失效很有必要。預(yù)測吸濕引起的性能退化程度需要一個可以表達給定時間的吸濕量的準確模型,以及CFRP 在特定環(huán)境中完全飽和的平衡吸濕量。高聚物及碳纖維增強復(fù)合材料的吸濕行為在短時間內(nèi)遵循Fick 擴散定律,該定律假設(shè)了水分可逆吸收并且吸收的水分子與高聚物之間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。一維Fick擴散模型被廣泛用于表征聚合物的水分擴散行為。該模型雖然在多數(shù)情況下有效,但由于碳纖維增強復(fù)合材料的各項異性三維擴散存在[47-48]和樣本尺寸限制,可能使得計算結(jié)果產(chǎn)生顯著誤差。通過各向異性Fick擴散模型的三維形式可以準確表征水分的空間擴散規(guī)律。

CFRP內(nèi)部的吸濕行為在短時間內(nèi)遵循Fick擴散定律,第一階段吸水后,材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生親水基團,同時溶質(zhì)的阻礙作用使得各項異性復(fù)合材料的第二階段水分擴散過程更加復(fù)雜。為準確描述復(fù)雜的擴散過程,國內(nèi)外學(xué)者建立了大量經(jīng)典的復(fù)雜吸濕模型,見表3。Grace 等[54]建立了一種新的三維各項異性Non-Fick受阻擴散模型,該受阻模型擴展了經(jīng)典的Fick 理論,考慮了水分子與高聚物的化學(xué)反應(yīng)和物理相互作用的影響。通過將結(jié)果與上述三維Fick模型的極限情況進行比較,驗證了數(shù)值解的準確性,證明了所提出的受阻擴散模型的實用性。譚翔飛等[55]開展了碳纖維增強復(fù)合材料加筋壁板的吸濕特性研究,發(fā)現(xiàn)加筋壁板在吸濕后期存在明顯的第二階段吸濕現(xiàn)象,并提出了加筋壁板的第二階段吸濕模型,并對該型結(jié)構(gòu)的吸濕行為進行了有限元仿真,仿真結(jié)果與第二階段吸濕曲線保持一致,計算誤差在5%以內(nèi)。

Arhant 等[56]采用兩階段模型建立了歸一化模型,將歸一化后的材料性能分別構(gòu)造為T-Tg的函數(shù)和吸濕量的函數(shù),使得每個階段的性能退化都可以被表示為線性函數(shù)。Papanicolaou 等[57]也將環(huán)氧樹脂體系的力學(xué)和黏彈性行為表示為吸濕量、溫度和浸泡時間的函數(shù)。但Attukur Nandagopal[58]提出,這些模型沒有考慮在浸泡時間相同的情況下可能會存在吸濕率不同的情況,即沒有明確材料最初的降解情況。其修改了Cao 等[59]提出的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?采用了經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃投A段模型,主要討論了第一階段水分擴散對力學(xué)性能的影響。其經(jīng)過對大量模型的總結(jié)分析,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料老化后的拉伸強度、壓縮強度和彎曲強度遵循三參數(shù)Weibull 分布。利用當前的模型,可以預(yù)測CFRP 老化后的強度及其相應(yīng)的分布。于倩倩[60]則利用試驗中的老化性能數(shù)據(jù)建立了二元線性回歸模型,并對模型進行了顯著性檢測和預(yù)測,其模型預(yù)測精度較高,這證明了通過二元分析回歸方法建立試件的濕熱老化壽命模型,從一定程度上來說是可行的。

4 濕熱耦合環(huán)境對碳纖維增強復(fù)合材料性能影響研究

碳纖維增強復(fù)合材料在實際使用中會長時間處于高溫、高濕或海水環(huán)境中,而上述因素的耦合作用使得CFRP呈現(xiàn)出不同于單因素作用下的性能退化表現(xiàn)。碳纖維和樹脂基體之間存在微裂紋,且隨著溫度的升高而逐漸外延。在此過程中,水分會擴散并存儲在CFRP的裂縫中,加速其微裂紋的外延和水解反應(yīng)的進行,而水的熱膨脹會增加材料內(nèi)部的濕熱應(yīng)力,對材料內(nèi)部造成破壞[61-62]。表4總結(jié)了老化環(huán)境和老化時間對CFRP靜態(tài)力學(xué)性能的影響。

表3 典型的復(fù)合材料吸濕模型Table 3 Typical moisture absorption model of composites

表4 不同老化環(huán)境對碳纖維增強復(fù)合材料靜態(tài)力學(xué)性能的影響Table 4 Effects of different aging environments on the static mechanical properties of CFRP

Li 等[67]將交叉型碳纖維增強復(fù)合材料層合板樣本[90/0/±45/0]浸在不同濃度的NaCl 溶液中,模擬復(fù)合材料在海水環(huán)境中的靜態(tài)/動態(tài)力學(xué)性能退化,發(fā)現(xiàn)第一階段中溶液溫度對吸濕率的影響顯著,溫度越高,吸濕率和吸濕量越高。隨老化時間的增加,基體材料開始膨脹松弛,內(nèi)部裂紋擴展引起第二階段吸濕,但該階段吸濕量增加非常緩慢。在7 個月后將樣品從溶液中取出放置在室溫環(huán)境中,吸濕量越高的樣本,解吸過程中吸濕量的下降幅度越大,如圖8所示。其中,實線為模型擬合曲線,散點為試驗數(shù)據(jù)。但不同的NaCl溶液濃度對CFRP的吸濕行為幾乎沒有影響。隨老化時間的增加,碳纖維增強復(fù)合材料拉伸強度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大幅度下降,但對材料的彈性模量和泊松比無明顯影響。因為在水分擴散的影響下,基體出現(xiàn)溶脹和增塑現(xiàn)象,使得試件內(nèi)出現(xiàn)層間界面性能失效,導(dǎo)致拉伸強度降低。對于單向碳纖維增強復(fù)合材料而言,彈性模量主要取決于碳纖維的力學(xué)性能。由于碳纖維在海水環(huán)境中的穩(wěn)定性較高,單向碳纖維增強復(fù)合材料的彈性模量幾乎不受影響。

圖8 碳纖維增強復(fù)合材料在不同溫度下3.5% NaCl溶液中的吸濕行為[67]Fig.8 Moisture absorption behavior of CFRP in 3.5% NaCl solution with different temperatures[67]

方毅[68]研究了不同溫度浸泡環(huán)境對單向碳纖維增強復(fù)合材料層合板的拉伸疲勞性能的影響。20℃浸泡溫度對CFRP層合板的疲勞性能基本無影響,最終破壞形式主要為非連續(xù)破壞。在40℃和60℃水中浸泡60天時,由于水分子的溶脹,增塑作用引起缺陷增加,復(fù)合材料內(nèi)部微裂紋開始快速積累,最終造成板材失效,嚴重降低了板材的拉伸疲勞壽命。Ma 等[69]研究了濕熱老化對交叉型碳纖維增強復(fù)合材料層合板[+45/0/-45/90]抗沖擊性能的影響,發(fā)現(xiàn)濕熱老化沒有對沖擊損傷樣貌造成影響,但在所有試樣中,凹痕深度與沖擊能量之間存在一個拐點。當沖擊能量低于此點時,凹痕深度隨沖擊能量的增加而緩慢增加,而當沖擊能量較高時,凹痕深度急劇增加。

在濕熱老化的數(shù)值模擬研究方面,Guo 等[70]通過多尺度有限元方法研究了碳纖維增強復(fù)合材料的老化規(guī)律、吸濕性和殘余應(yīng)力等濕熱老化行為,并提出了一個缺陷假設(shè)來模擬濕熱老化缺陷。在采用層內(nèi)單元和層間單元建立試樣尺寸的CFRP 模型時,分別引入三維應(yīng)變形式Hashin 準則和改進的內(nèi)聚力定律。利用遺傳算法對濕熱老化過程進行了定量表征。并且在力學(xué)性能和失效模式方面觀察到試驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果的一致性。與半經(jīng)驗方法相比,多尺度模型可以揭示微觀結(jié)構(gòu)演變與宏觀性能退化之間的關(guān)系。

除了濕熱老化因素,大氣、紫外線、腐蝕性介質(zhì)等也對碳纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響。對此,劉治國等[71]采用實驗室加速腐蝕環(huán)境對多種環(huán)境共同作用下的單向碳纖維增強復(fù)合材料層合板性能退化做了研究。試驗結(jié)果表明,經(jīng)預(yù)腐蝕后的CFRP 靜態(tài)力學(xué)性能和疲勞性能總體上隨著腐蝕周期的延長呈遞減趨勢,層間剪切強度的下降趨勢比疲勞性能和彎曲強度的下降趨勢更為明顯。Ding 等[72]研究表明,紫外線輻射降低了正交平紋型碳纖維增強復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能,增加了材料的脆性,加速了剛度衰減,縮短了材料的疲勞壽命。

通過對CFRP 在不同環(huán)境條件下的力學(xué)性能進行研究,發(fā)現(xiàn)濕熱老化、腐蝕性介質(zhì)和紫外線輻射等因素對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生了顯著影響。在濕熱老化方面,溫度和溶液濃度對材料的吸濕行為和力學(xué)性能退化起著重要作用。但當前研究對不同環(huán)境條件下的材料物理機制和微觀結(jié)構(gòu)演變的解釋還不夠深入,需要進一步研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng),以揭示其與宏觀性能變化之間的關(guān)系,并且研究中多采用簡化后的試驗方法,對于復(fù)雜的濕熱老化過程的定量表征仍然存在一定的局限性。可以考慮結(jié)合數(shù)值模擬方法,對濕熱老化的過程進行更精確的模擬和預(yù)測。

5 結(jié)論與展望

近年來,圍繞碳纖維增強復(fù)合材料的水分擴散建模、損傷演化機理和濕熱老化性能退化等方面的研究不斷深入,取得了豐富的研究成果。濕熱環(huán)境下CFRP的界面結(jié)合性能下降,內(nèi)部空隙和缺陷為水分擴散提供了空間,促進了裂紋進一步擴展,引起局部殘余應(yīng)力,造成剛度、強度退化和層間失效等。碳纖維增強復(fù)合材料種類繁多,制造工藝復(fù)雜,作為一種力學(xué)性能優(yōu)異的新型材料,仍有諸多工程應(yīng)用問題亟待研究。

（1）極端環(huán)境下碳纖維增強復(fù)合材料的性能研究

碳纖維增強復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于飛行器結(jié)構(gòu)和超低溫貯存設(shè)備。實際服役環(huán)境可能面臨各種極端工況,結(jié)構(gòu)表面需承受極端溫度、超高壓強等極度惡劣環(huán)境?，F(xiàn)有研究的試驗環(huán)境參數(shù)設(shè)定普遍較為溫和,缺少對極端環(huán)境下材料的性能退化研究。開展對極端環(huán)境中碳纖維增強復(fù)合材料的性能退化研究,拓寬應(yīng)用領(lǐng)域,可以有效減輕設(shè)備重量,提升關(guān)鍵服役性能。

（2）循環(huán)濕熱條件下的疲勞壽命預(yù)測

疲勞破壞是零部件失效的主要原因之一。對碳纖維增強復(fù)合材料在恒定濕熱老化環(huán)境中的疲勞性能研究較多,但循環(huán)濕熱條件碳纖維增強復(fù)合材料的損傷機制尚未明確,未能建立普遍適用的壽命預(yù)測模型。有必要掌握碳纖維增強復(fù)合材料的疲勞特性和壽命預(yù)測方法,為關(guān)鍵部件的設(shè)計開發(fā)提供理論支撐。

（3） 復(fù)雜環(huán)境下多因素耦合作用的損傷演化機制

受限于試驗技術(shù)和多因素耦合作用下碳纖維增強復(fù)合材料內(nèi)部復(fù)雜的濕熱老化機制,目前的研究中多以恒溫、恒濕和循環(huán)濕熱條件為主,簡化了服役環(huán)境對碳纖維增強復(fù)合材料的作用機制,其性能退化方面的研究需要充分考慮復(fù)雜環(huán)境因素、載荷類型、損傷演化等因素。探究鹽霧、酸堿、紫外線、疲勞載荷等復(fù)雜環(huán)境作用下的損傷演化機制,建立微觀破壞機理和宏觀性能的映射關(guān)系,具有重要的理論研究和工程應(yīng)用價值。

（4）實際構(gòu)件的服役環(huán)境老化建模

碳纖維增強復(fù)合材料作為多相材料,其自身具有顯著和豐富的細觀結(jié)構(gòu)特征,在濕熱環(huán)境和大應(yīng)變率沖擊載荷作用下材料表現(xiàn)出復(fù)雜的失效與吸能機理,其部件有限元模型遠比材料模型復(fù)雜,目前國內(nèi)外學(xué)者針對材料層面及簡化模型開展了較多研究,而對實際復(fù)雜構(gòu)件的仿真分析較少。尤其對多向編織碳纖維增強復(fù)合材料和纖維纏繞先進碳纖維增強復(fù)合材料而言,具有顯著的材料—結(jié)構(gòu)—工藝相互影響特征,根據(jù)實際應(yīng)用構(gòu)件對不同服役環(huán)境的響應(yīng)建立仿真模型,對服役性能評價和壽命預(yù)測將具有重要應(yīng)用價值。

（5） 三維編織碳纖維增強復(fù)合材料的制造工藝及性能研究

三維編織復(fù)合材料制造及其應(yīng)用研究一直是國內(nèi)外三維復(fù)合材料的研究熱點,三維編織復(fù)合材料較普通層合類復(fù)合材料具有更高的沖擊損傷容限和斷裂韌性,尤其適合異形構(gòu)件的整體成形,但其制作周期長、成本相對較高,目前的應(yīng)用僅集中在航空航天等領(lǐng)域,加強對三維編織工藝技術(shù)及性能的研究,有助于推進其在航空航天為代表的高新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。