湿热环境对复合材料的影响 本文关键词：湿热，复合材料，环境，影响
湿热环境对复合材料的影响 本文简介：近年来，碳纤维增强树脂基复合材料被广泛应用于民用运输类飞机结构的生产制造，如机身、机翼、尾翼、雷达罩等结构，成为不可或缺的新型航空材料［1］。尽管复合材料具有高比强度、高比模量、疲劳寿命长、可设计性强等优良性能，但复合材料结构在民用飞机服役过程中不可避免地会受到湿热环境影响，复合材料的力学性能在湿热
湿热环境对复合材料的影响 本文内容：
近年来，碳纤维增强树脂基复合材料被广泛应用于民用运输类飞机结构的生产制造，如机身、机翼、尾翼、雷达罩等结构，成为不可或缺的新型航空材料［1］。尽管复合材料具有高比强度、高比模量、疲劳寿命长、可设计性强等优良性能，但复合材料结构在民用飞机服役过程中不可避免地会受到湿热环境影响，复合材料的力学性能在湿热环境中会发生严重退化，导致承力结构破坏甚至失效，对航空安全造成严重威胁［2～5］。
为保证航空安全，FAR／CCAR25部《运输类飞机适航标准》中明确指出，对材料的适用性和耐久性、设计值制定以及结构的损伤容限和疲劳评定等条款进行符合性验证时必须充分考虑环境影响。如FAR／CCAR25．603（c）中规定，“其损坏可能对安全性有不利影响的零件所用材料的适用性和耐久性必须考虑服役中预期的环境条件，如温度和湿度的影响”。FAAAC20－107B中也明确指出要充分考虑温度和湿度对复合材料性能的影响。在复合材料飞机结构的设计、验证及适航审定中必须充分考虑环境影响。国内外学者针对湿热环境对复合材料结构力学性能退化行为的影响及其退化机理开展了一定的研究［6～12］。Pérez－Pacheco等［13］将碳纤维／环氧树脂单向板暴露在22%RH，25%RH，95%RH3种湿度条件下，研究了水分吸收对材料拉伸强度和失效模式影响。徐晋伟［14］研究了100℃／100%RH和80℃／90%RH2种湿热环境下T700／6421复合材料的弯曲性能。汪浩成［15］针对T700S／＃2510和G30－500／TC275碳纤维增强／环氧树脂复合材料，分别研究了其在－55℃、常温干态、82℃、82℃／85%RH不同环境下的拉伸、压缩、面内剪切性能。可见湿热环境对复合材料结构力学性能退化行为影响及其退化机理仍是当前复合材料领域的一项重要研究内容，且有待进一步深入研究。
本文针对T700／3228的［90］16和［0］16复合材料单向板，选取7种不同湿热环境下的加速吸湿方法进行加速吸湿试验，通过拉伸试验研究复合材料单向板在湿热环境下的拉伸性能退化情况，借助扫描电子显微镜对试样拉伸断口进行微观形貌分析，分析复合材料单向板力学性能退化机理，进而为复合材料层合结构件的强度和安全可靠性设计提供试验依据。
1实验部分
1．1拉伸试样的制备
复合材料单向层板试样材料为T700／3228，采用手工铺层，并经热压罐固化成型处理。［90］16和［0］16拉伸试样示意图如Fig．1所示，试样两端粘贴厚度约为1．5mm，长度为50mm，宽度分别为25mm和15mm的纤维增强塑料板作为加强片。
1．2试验条件及结构微观表征
1．2．1加速吸湿试验：为了使［90］16和［0］16单向板在工程能接受的较短时间内达到其长期使用环境中可能达到的吸湿量，全面测试不同湿热环境（包括一些极端环境）下复合材料单向板的拉伸性能，根据HB7104－1996《树脂基复合材料层合板湿热环境吸湿试验方法》、CMH－17G《复合材料手册》［16］、ASTMD5229／D5229M《聚合物基复合材料吸湿性能及饱和条件标准试验方法》等标准，在标准规定的70℃烘干、70℃／85%RH、70℃水浴3种试验条件外，增加了室温干燥、85℃烘干、25℃／85%RH、85℃／85%RH4种试验条件。
1．2．2拉伸试验及结构微观表征：根据GB／T3354－1999《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》，采用CSS44300型电子万能试验机对［90］16和［0］16单向板进行拉伸性能试验。［90］16单向板拉伸加载速度为1mm／min，［0］16单向板拉伸加载速度为3mm／min。
将拉伸试样断口切成约10mm高的小块后进行喷金处理，采用S－3400N扫描电子显微镜观察试样断口微观形貌。
2复合材料单向板吸湿特性分析
Fig．2为复合材料单向板分别在25℃／85%RH、70℃／85%RH、85℃／85%RH和70℃水浴下的吸湿特性曲线，Tab．2为不同湿热环境下试样达到吸湿饱和所用时间及平衡吸湿率。
复合材料单向板吸湿特性曲线在不同湿热环境中呈现相同走势，分为2个阶段：吸湿初期，单向板吸湿率随吸湿时间延长而增加，吸湿速率较大，该阶段的吸湿主要是由于单向板的制造缺陷（如微裂纹、孔洞等）和环氧树脂基体吸水溶胀造成的，体积较小的水分子迅速通过单向板的缺陷和树脂聚合物分子间的空隙进入材料的内部，主要是物理过程，该阶段吸湿行为遵守Fick第二定律。
在吸湿后期，单向板吸湿率随吸湿时间的延长而趋于稳定，吸湿速率减小，单向板逐渐达到吸湿平衡状态。该阶段除了吸湿初期的吸湿形式，还发生树脂－纤维界面脱粘及树脂水解等不可逆过程，Fick第二定律不再适用于该阶段的吸湿行为。
在相同湿度下，随着环境温度的升高，吸湿初期单向板的吸湿速率和吸湿率增大，达到吸湿平衡的时间延长，平衡吸湿量也随之增大。因为随着温度升高，通过扩散作用进入单向板的水分子运动速度加快，环氧树脂聚合物分子的溶胀也更加充分，导致吸湿速率与平衡吸湿量增加。
70℃水浴中单向板的吸湿速率及吸湿率与85%RH下单向板相比显著增加，达到吸湿平衡的时间也大幅延长。因为在水浴中，水分子除了通过扩散作用进入环氧树脂，还与环氧树脂中的极性官能团发生水解反应，同时环氧树脂基体中的可溶成分及部分小分子杂质会溶解在热水中，造成材料内部形成更多孔洞及微裂纹，增加单向板的吸湿速率与吸湿量。
3湿热环境对［90］16单向板拉伸性能影响
［90］16单向板拉伸试样从加载开始至断裂耗时较短，大部分试样发生横向断裂，断裂位置为试样工作段上的随机位置，通常是在试样制备过程中不可避免的薄弱环节，断口平齐，如Fig．3所示。Tab．2为单向板经不同环境处理后的拉伸强度均值及离散系数。
干燥环境下，［90］16单向板拉伸强度随环境温度上升而提升，85℃时的强度比室温时的提升25%；在85%RH下，［90］16单向板拉伸强度随环境温度升高而降低，85℃时的强度比室温时的降低21．6%；经70℃水浴后，［90］16单向板拉伸强度会进一步下降，与室温干燥环境下的强度相比，降低35．5%。
3．1不同温度干燥环境的影响
Fig．4为［90］16单向板在室温干燥、70℃烘干以及85℃烘干后进行拉伸试验所得试样断口的SEM照片。Fig．4（a）、Fig．4（b）、Fig．4（c）放大倍数为200倍。在干燥状态下，随着温度升高，试样断口处在拉伸载荷作用下脱离断裂平面的纤维减少，表明环氧树脂基体在高温下发生后固化，对纤维的保护作用增强，对应着宏观上70℃及85℃烘干后［90］16单向板拉伸强度有所上升。
Fig．4（d）、Fig．4（e）、Fig．4（f）放大倍数为2000倍。可以看出，在干燥状态下，试样断口处的纤维上黏附的树脂随着烘干温度的上升而减少。虽然有研究表明后固化可以减小环氧树脂的热膨胀系数［17］，但高温下环氧树脂基体仍发生热膨胀，造成纤维－基体界面上产生热应力，削弱了纤维－基体界面性能，加之环氧树脂在后固化作用下固化度升高，导致环氧树脂以较为完整的块状脱离纤维表面。
3．2不同温度高湿环境的影响
Fig．5为［90］16单向板在不同温度高湿环境中达到吸湿饱和后进行拉伸试验所得试样断口的SEM照片。从Fig．5（a）、Fig．5（d）中可以看出，与室温干燥试样相比，在25℃／85%RH环境中达到吸湿饱和的试样断口处纤维上附着的树脂有所减少，在拉伸载荷下脱离断裂平面的纤维增多。虽然提高环境湿度会导致树脂基体及纤维－基体界面产生湿应力［18，19］，由于25℃／85%RH下单向板的吸湿量较低，湿应力较小。环境温度较低，纤维－基体界面上未产生热应力，25℃／85%RH环境对纤维－基体界面造成的总体损伤较轻，导致宏观上试样拉伸强度发生小幅度下降。
从Fig．5（b）、Fig．5（c）、Fig．5（e）、Fig．5（f）可以看到，与70℃及85℃烘干试样相比，在70℃／85%及85℃／85%达到吸湿饱和的试样断口处纤维上黏附的树脂明显减少，在拉伸载荷下脱离断裂平面的纤维增加，表明在高温高湿环境下，纤维－基体界面上产生较大热应力及湿应力，对纤维－基体界面造成严重损伤，同时环氧树脂基体的吸湿导致基体玻璃化转变温度下降，对环氧树脂基体造成进一步破坏［20］。继续升高温度会加剧上述破坏。［90］16单向板拉伸性能由基体及界面主导，基体和界面的严重破坏在宏观上对应着［90］16单向板拉伸强度大幅下降。
3．3水浴环境的影响
Fig．6为［90］16单向板在70℃水浴中达到吸湿饱和后进行拉伸试验所得断口的SEM照片。70℃水浴处理后试样断口处的纤维表面光滑，黏附的树脂更少，试样断面杂乱，大量纤维在拉伸载荷下脱离断裂平面。表明70℃水浴中，纤维－基体界面受伤加剧，环氧树脂基体中的某些成分会溶解在水中，对［90］16单向板基体树脂与纤维－基体界面造成严重损伤。
4湿热环境对［0］16单向板拉伸性能的的影响
对［0］16单向板进行拉伸试验，从加载开始至断裂耗时较长，随着荷载增大，可以清晰听到纤维崩断的声音，试样被破坏时发出巨大响声。［0］16单向板拉伸试样主要有2种有效断裂形式，大多数试样发生工作段纵向劈裂，如Fig．7（a）所示，另有少数试样发生工作段横向断裂，如Fig．7（b）所示。
4．1不同温度干燥环境的影响
Fig．8为［0］16单向板在室温干燥、70℃烘干以及85℃烘干后进行拉伸试验所得试样断口的SEM照片，放大倍数为2000倍。室温干燥试样断口处由于纤维拔出留下的孔洞与缝隙较少，70℃烘干试样及85℃烘干试样断口处明显可见由于纤维拔出留下的多处孔洞，且85℃烘干试样树脂形态完整，进一步验证了高温可造成环氧树脂后固化增强，但会对纤维－基体界面造成损伤的论断。［0］16单向板拉伸性能由纤维主导，基体及界面性能对单向板拉伸强度影响相对较小，故宏观上对［0］16单向板拉伸强度影响不大。
4．2不同温度高湿环境的影响
Fig．9为［0］16单向板在25℃／85%RH、70℃／85%RH以及85℃／85%RH处理下达到吸湿饱和后进行拉伸试验所得试样断口的SEM照片，放大倍数为2000倍。25℃／85%RH试样断口处的树脂形态相对完整，但部分纤维已经脱离树脂的包裹，在室温下提升环境湿度对环氧树脂影响较小，但对纤维－树脂界面造成的损伤较为明显。70℃／85%RH试样断口处散落大量絮状树脂，及少量缝隙与孔洞，85℃／85%RH试样断口处的缝隙与孔洞明显增多。说明在70℃高温下，提升环境湿度会对环氧树脂及纤维－树脂界面造成损伤，进一步提升温度会加剧这种损伤。
4．3水浴环境的影响
Fig．10为［0］16单向板在70℃水浴中达到吸湿饱和后进行拉伸试验所得试样断口的SEM照片，放大倍数为2000倍。70℃水浴试样断口处树脂松散、纤维长度不一，表明70℃水浴环境对纤维－基体界面造成严重损伤，虽然基体及界面性能对层板纵向拉伸强度的影响相对较小，但上述严重破坏仍使得［0］16单向板宏观上的拉伸性能下降。
5结论
（1）干燥环境下，单向板中的环氧树脂基体在高温中发生后固化，增强环氧树脂对纤维的保护作用，导致由树脂与界面主导的［90］16单向板拉伸强度随环境温度升高而增加，由纤维主导的［0］16单向板拉伸强度随环境温度升高而基本不发生变化。
（2）85%RH湿度下，随着温度升高，单向板纤维－基体界面上的热应力与湿应力增加，且环氧树脂基体遭到破坏，导致［90］16和［0］16单向板拉伸强度均随环境温度升高而下降。
（3）70℃水浴环境下，单向板纤维－基体界面上产生较大热应力与湿应力，环氧树脂基体中的部分成分溶解于水中，导致［90］16和［0］16单向板拉伸强度严重下降。
作者：冯振宇 解江 迟琪琳 牟浩蕾 巩天琛 单位：中国民航大学 民航民用航空器适航审定技术重点实验室
湿热环境对复合材料的影响 来源：网络整理
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