因其高强度、高刚度和低比重等优异的性能, 碳纤维增强复合材料被广泛应用于航空航天等领域[1-2]。航空航天材料在服役过程中不可避免地受到环境因素如温度、湿度、化学腐蚀和紫外线辐射等的影响[3]。其中温度和湿度对复合材料的影响最为显著, 导致其力学性能大幅降低甚至提前失效破坏[4-6]。
由于碳纤维基本不存在吸湿行为[7], 湿热环境中的水分主要被基体吸收。吸湿后材料的局部密度发生变化[8], 基体的吸湿和水解导致分子量降低, 最终导致纤维/基体界面分层降低了材料的宏观力学性能[9-12]。在复合材料吸湿特性的研究中，应用最广泛的是Fickian模型[13]。随着研究的进一步深入, 一些学者发现复合材料的吸湿过程呈现出阶段性[14]: 当吸湿量小于饱和吸湿率60%时, 吸湿行为仍满足Fickian模型; 当吸湿量大于饱和吸湿率60%时, 显示出non-Fickian现象[15-16]。
在湿热环境对复合材料力学性能影响的研究中, 主要的影响因素是温度和湿度以及纤维和树脂的类型。Guermazi等[17]对比了湿热环境下碳纤维环氧树脂基、玻璃纤维环氧树脂基及混杂纤维复合材料的吸湿特性和力学性能退化, 发现湿热环境中水分和温度引起复合材料基体塑化, 从而导致复合材料的模量和强度降低。相比于玻璃纤维环氧树脂基复合材料, 碳纤维环氧树脂基复合材料的强度和模量下降较小。杨旭东等[18]研究了3种湿热环境下CFRP层合板的吸湿特性和性能退化机理, 发现树脂基体上的亲水基团在85℃, 85%RH的湿热环境中仅与水分子通过氢键形成分子间缔合而未发生化学反应, CFRP层板力学性能退化与化学变化无关。Kumar等[19]发现碳纤维/环氧复合材料层合板的力学性能对吸湿较为敏感, 复合材料浸泡1个月之后, 其纵向拉伸强度下降了25%~30%, 继续浸泡强度基本保持不变, 横向拉伸强度随着吸湿时间的增加呈快速下降趋势, 面内剪切强度的变化规律表现为先增加后减小的趋势。
现有文献主要集中在不同温度、湿度和树脂类型对碳纤维复合材料吸湿特性和力学性能的影响[20-22], 而对不同铺层角度吸湿特性和力学性能的研究较少。故本文针对TG800/E207碳纤维增强环氧树脂基复合材料, 制备了[0]16, [90]16, [±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s 4种铺层的试样, 研究了湿热环境下复合材料铺层角度对其吸湿特性和力学性能退化的影响。
1 试验材料及试验方法 1.1 试验材料选用[0]16, [90]16, [±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s 4种铺层的TG800/E207碳纤维环氧树脂复合材料为试验对象, 预浸料纤维含量为67%±2%, 在125℃条件下固化而成, 单层厚度为0.125 mm。
1.2 试验方法为了精确控制吸湿试验所需要的温度和湿度, 在恒温恒湿环境箱中进行吸湿试验。根据ASTM D5229[23]测试标准要求, 加速吸湿试验的最高温度应至少比湿态玻璃化转变温度(Tg)低25℃, E207环氧树脂的湿态玻璃化转变温度为110℃, 因此吸湿试验的温度设置为80℃, 相对湿度为90%。试验过程中, 使用精度为0.1 mg的FA2104B电子分析天平, 每隔24 h测量一次试验件质量, 当试验件前后2次测量的质量变化小于万分之一时, 认为试验件在80℃, 90%RH环境中达到吸湿饱和平衡。
根据ASTM D3039试验标准[24], 采用电子万能试验机进行拉伸性能试验, 加载速率为1 mm/min。试验在23℃干态(RTD)和23℃湿态(RTW)2种条件下进行, 每种铺层的试样各3件, 使用显微镜观察破坏形貌。对比2种环境下的试验结果, 比较和讨论湿热处理对不同铺层碳纤维/环氧复合材料拉伸性能的影响。
2 结果与讨论 2.1 湿热试验结果 2.1.1 吸湿动力学曲线为了得到湿热环境下复合材料吸湿曲线, 根据(1)式对吸湿结果进行处理, 并对不同铺层试验件的吸湿曲线进行对比。
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(1) |
式中:Mt为试验件吸湿t小时后的吸湿率; W0和Wt分别为未吸湿和吸湿t小时后的试验件质量。
图 1为不同铺层角度的复合材料层合板吸湿曲线。可以看出TG800/E207碳纤维环氧树脂复合材料的吸湿曲线呈现出多阶段现象。通过(2)式可以计算出每一阶段的吸湿速率R。表 1列出了各铺层复合材料层板第一、二和三阶段的吸湿速率。
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(2) |
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| 图 1 不同铺层角度的复合材料层合板吸湿曲线 |
| 阶段 | 吸湿速率 | |||
| [0]16 | [90]16 | [±45]4s | [+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s | |
| 第一 | 2.97×10-3 | 1.45×10-3 | 1.98×10-3 | 3.50×10-3 |
| 第二 | 1.17×10-3 | 0.96×10-3 | 1.51×10-3 | 1.51×10-3 |
| 第三 | 7.69×10-4 | 7.39×10-4 | 6.99×10-4 | 7.03×10-4 |
式中, M1和M2分别是吸湿时间为t1和t2时的吸湿量。
图 1中铺层角度的不同导致趋于平衡时的吸湿量不同, 但各铺层试样的吸湿曲线趋势大致相同。各铺层试样的吸湿曲线数据为3件试样的平均值, 误差均小于0.027%, 数据分散性较小, 如图 1所示。吸湿曲线可以根据吸湿时间划分为4个阶段。第一阶段: 吸湿时间小于24 h; 第二阶段, 吸湿时间为24~96 h; 第三阶段, 吸湿时间为96~648 h; 第四阶段, 吸湿时间为648~1 608 h。前3个阶段复合材料层板的吸湿量与时间的平方根均呈线性关系, 第四阶段复合材料层板的吸湿量随吸湿时间的增加而逐渐趋于平衡。当吸湿时间达到1 608 h时, 复合材料层板达到最终吸湿, [0]16, [90]16, [±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s的最终吸湿量分别为0.870%, 0.806%, 0.843%和0.876%。[90]16, [±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s复合材料层板的最终吸湿量与[0]16复合材料层板相比, 分别相差-7.36%, -3.10%和0.69%。
从表 1可以看出, 同一铺层复合材料层板的吸湿速率随着吸湿时间的增加而减少。这是由于在吸湿过程中, 水分子首先进入复合材料内部的空隙和裂纹等缺陷[20]; 然后水分子与树脂中的高分子结合, 使树脂膨胀变形, 纤维/基体界面产生分层, 树脂内部产生微裂纹[18], 提供吸湿空间; 最后树脂中的高分子会发生化学变化, 并且再次固化产生大量的亲水基[25], 进一步吸湿。
2.1.2 湿热损伤模式图 2为吸湿过程中的复合材料层板损伤形貌。从图 2a)中可以看出, 4种铺层复合材料层板表面没有明显的分层、裂纹或其他损伤。在图 2b)中, 4种铺层复合材料层板都出现轻微的分层现象, 这是由于碳纤维和树脂基体的湿热膨胀系数不同, 在湿热环境中, 两者的膨胀变形差异导致复合材料纤维/基体界面分层。在图 2c)中, 除了微分层明显增加外, 还出现了一些微孔, 说明随着吸湿时间的增加, 水分子和树脂基体的高分子进一步结合, 使树脂产生水解、断链、交联结构破坏等变化, 造成宏观上树脂的破坏。[90]16试样还出现了沿Z方向的轻微分层, 这是由[90]16试样的铺层方向决定的。在图 2d)中, 吸湿平衡时损伤情况更为严重, 说明吸湿损伤随着吸湿时间的增加而进一步增加。
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| 图 2 吸湿过程中的损伤演化 |
图 3为23℃干态(RTD)和23℃湿态(RTW)条件下4种铺层复合材料层板的破坏形貌。从图 3a)可以看出, 在RTD条件下[0]16复合材料层板的纤维断裂面较为平齐, 在靠近夹持端处存在层间分层和界面脱胶。说明在拉伸断裂过程中, 大部分的纤维是同时断裂, 纤维/基体界面没有大范围破坏, 界面粘接性能良好。从图 3b)可以看出, 在RTW条件下[0]16复合材料层板断口处纤维束拔出, 纤维/基体界面分层现象严重。说明在RTW条件下纤维/基体界面性能明显下降, 界面失效后载荷传递不均, 部分纤维首先断裂导致纤维束拔出, 最终导致复合材料层板破坏。从图 3c)可以看出, 在RTD条件下[90]16复合材料层板的失效模式为基体拉伸断裂, 层板表面光滑, 没有可见损伤, 断口处有少许纤维束粘连。从图 3d)可以看出, 在RTW条件下[90]16复合材料层板的主要失效模式仍为基体拉伸断裂, 但层板表面出现裂纹和孔洞等损伤模式, 断口处纤维束粘连明显增多。这是由于在RTW条件下扩散进复合材料的水分子与树脂基体中高分子结合, 使得基体溶胀, 体积增大, 最终形成裂纹和孔洞。从图 3e)可以看出, 在RTD条件下[±45]4s复合材料层板的主要失效模式是分层和纤维断裂, 且纤维断裂主要集中在上下表面处的纤维层, 而层板中间的纤维层主要为分层失效, 纤维层较为完整。从图 3f)可以看出, 在RTW条件下[±45]4s复合材料层板中各纤维层均出现严重的分层损伤以及纤维和基体断裂, 上下表面的纤维层呈现毛刺状形貌, 各纤维层已完全破坏, 说明湿热环境下纤维/基体界面粘接性能完全退化。从图 3g)和3h)可以看出, 在RTD和RTW条件下[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s复合材料层板的主要失效模式均为分层和纤维断裂, 且在RTW环境下层板的纤维断裂和分层现象更加严重, 这一点与[±45]4s复合材料层板相似。但不同之处在于[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s复合材料层板各纤维层并未完全破坏, 这主要是由于0°纤维层在其中承担了一部分载荷, 而湿热环境只是引起0°纤维层的分层, 但对其强度影响较小, 这一情况与[0]16复合材料层板的破坏模式相吻合。
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| 图 3 不同铺层层合板在RTD和RTW环境下拉伸断口形貌 |
图 4为23℃干态(RTD)和23℃湿态(RTW)条件下4种铺层复合材料层板的载荷位移曲线。从图 4a)中可以看出, 在RTD条件下[0]16复合材料层板的载荷位移曲线呈线性增长, 且斜率大于RTW条件下的曲线。但是当加载到45 kN时, RTW条件下曲线开始偏折, 斜率降低, 对应复合材料层板最外层纤维层产生损伤, 这是由于湿热环境中复合材料的最外层首先达到并始终处于吸湿平衡状态, 也说明[0]16复合材料层板的损伤也是由外向内逐层产生的。从图 4b)中可以看出, 2种条件下[90]16复合材料层板的载荷位移曲线趋势相同, 均是在载荷达到峰值后发生突降。这是由于[90]16复合材料层板的失效模式为基体拉伸断裂, 而碳纤维吸湿能力有限, 水分扩散主要在树脂基体内。从图 4c)中可以看出, 在初期加载阶段, [±45]4s复合材料层板的载荷位移曲线呈线性增加, 2种条件下曲线基本重合; 随着载荷的进一步增加, 进入损伤阶段, 曲线斜率降低, 且RTW条件下的曲线斜率小于RTD条件下斜率, 说明在此阶段RTW条件下层板的承载能力小于RTD条件下的承载能力; 在最终失效阶段, RTD条件下层板在载荷达到峰值后发生突降, 但RTW条件下层板的曲线发生轻微波动后发生突降, 说明在载荷峰值后RTW条件下层板的破坏并不是所有纤维层同时破坏, 仍有一部分纤维层可以承载, 只是承载能力不足所以很快便发生载荷突降。从图 4d)中可以看出, 2种条件下[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s复合材料层板的载荷位移曲线趋势相同, 且与[90]16复合材料层板类似, RTW条件下的曲线斜率小于RTD条件下的斜率。
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| 图 4 在RTD和RTW环境中复合材料层合板载荷-位移曲线 |
表 2为23℃干态(RTD)和23℃湿态(RTW)条件下[0]16, [90]16, [±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s复合材料层板的失效载荷和失效位移的对比, 其中失效载荷和失效位移均为3个有效数据的平均值。可以看出在RTW条件下[0]16, [90]16, [±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s复合材料层板的失效载荷相比RTD条件分别降低了13.80%, 27.36%, 10.70%和25.60%;失效位移分别降低了1.93%, 1.20%, 10.69%和1.51%。其中[90]16的失效载荷降低最多且最终吸湿量最小, 如图 1所示, 这是由于湿热环境中水分主要引起树脂基体的性能退化, 而[90]16试验件的失效模式为基体拉伸断裂。
| 试样 | 条件 | 失效载荷/kN | 失效位移/mm |
| [0]16 | RTD | 56.25 | 7.78 |
| RTW | 48.49 | 7.63 | |
| [90]16 | RTD | 3.07 | 1.66 |
| RTW | 2.23 | 1.64 | |
| [±45]4s | RTD | 11.96 | 19.92 |
| RTW | 10.68 | 17.79 | |
| [+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s | RTD | 69.03 | 7.27 |
| RTW | 51.36 | 7.16 |
1) 湿热环境中TG800/E207碳纤维/环氧复合材料层板的吸湿曲线呈现多阶段性, 同一铺层复合材料层板的吸湿速率随着吸湿时间的增加而减少; 其各阶段吸湿速率和最终吸湿量受铺层的影响, 与[0]16复合材料层板相比, [90]16、[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s复合材料层板最终吸湿量分别相差-7.36%, -3.10%和0.69%。[90]16的最终吸湿量最低, 仅为0.806%;[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s的最终吸湿量最高, 为0.876%。
2) 在吸湿试验中, 碳纤维和树脂基体的湿热膨胀差异导致试样表面出现轻微的分层和微孔等损伤, 且随着吸湿时间的增加吸湿损伤逐渐增加。
3) RTD条件下复合材料层板纤维/基体界面性能明显强于RTW条件下的界面性能, [0]16, [90]16, [±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s复合材料层板的主要失效模式分别为纤维断裂、基体断裂和分层。
4) 与RTD条件下复合材料的失效载荷和失效位移相比, RTW条件下复合材料层板的失效载荷和失效位移减小, [0]16, [90]16, [±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s的失效载荷分别降低了13.80%, 27.36%, 10.70%和25.60%;失效位移分别降低了1.93%, 1.20%, 10.69%和1.51%。其中[90]16的失效载荷下降最多且最终吸湿量最小, 所以湿热环境对[90]16层板的力学性能影响最大。
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