T300/QY8911復合材料濕熱行為的研究

張鳳玲，宋體杰，馬克明，王靜

（1.沈陽飛機工業 (集團) 有限公司，沈陽 110034；2.沈陽航空航天大學，沈陽 110136）

復合材料具有比強度/比剛度高、熱膨脹系數較低、阻尼系數大、耐高溫、化學穩定性好等綜合性優點，在航空航天、國防科技、交通運輸等行業得到了廣泛的應用。碳纖維增強樹脂基復合材料作為航空、航天領域最常用的復合材料，在各種服役環境條件下，樹脂基體會受到濕熱、陽光照射、鹽霧和交變應力等外界環境因素的交互作用，從而使復合材料的服役壽命大大降低。在這些外界影響因素中，濕熱環境下復合材料吸濕所導致的力學性能退化是影響服役壽命的最重要方面，因此自20世紀70年代起，即對復合材料的濕熱老化行為進行了研究。世界各國的研究人員對復合材料在濕熱環境下所引起的力學性能、物理性能等進行了多方面的廣泛研究，普遍采用將力學性能作為衡量復合材料服役壽命和損傷閾值的參量。復合材料在濕熱環境中的吸濕過程是一個緩慢的水分彌散過程，實際服役期間，復合材料會受到濕度/溫度和外界載荷對纖維、基體及復合材料界面的聯合作用，最終導致復合材料產生物理、化學性能的退化。吸濕率受外界的溫度、濕度、復合材料厚度以及基體化學性質等因素的影響，樹脂基復合材料濕熱行為的研究主要針對吸濕規律[1-6]、老化性能[7-9]以及力學性能[10-16]等方面進行研究。

1 試驗

1.1 T300/QY8911復合材料制備

將 T300/QY8911復合材料預浸料單向鋪層，然后采用真空袋成形制備復合材料。成形工藝為：（120±5）℃ /15 min（0.4MPa）+ 185 ℃/ 2 h（0.4 MPa)+195 ℃/4 h（0.4 MPa）+80 ℃（泄壓），室溫后取出。

1.2 性能測試

1）復合材料的濕熱處理采用水煮吸濕方法進行加速實驗。將試樣浸入去離子沸水中進行處理，前四天稱量一次，然后每三天稱量一次各個試樣的質量變化。當質量增量比上次增加0.05%時，每天稱量質量變化。連續三次測定的質量增量小于上次質量的0.05%（或 0.02%）時，濕熱處理過程即可認為達到飽和狀態。

2）采用美國TA公司DMA2980動態力學熱分析儀，通過三點彎曲方式對復合材料進行DMTA分析，測定其玻璃化轉變溫度。復合材料試樣尺寸為 30 mm×6 mm×2 mm，測試參數：室溫至300 ℃、升溫速率為 5 ℃/min、振蕩頻率為1 Hz。

3）根據HB 7625—1998 對復合材料試樣進行拉伸性能測試。測試試樣尺寸為230 mm×12.5 mm×2 mm，加載速度為2 mm/min。根據HB 7626—1998對濕熱處理后的復合材料試樣進行壓縮性能測試，測試試樣尺寸為135 mm×15 mm×2 mm，加載速度為2 mm/min。

2 結果及分析

2.1 濕熱行為的研究

圖1和圖2為分別T300/QY8911復合材料在濕熱處理過程中，吸濕率與處理時間（t）以及時間平方根（t1/2）的關系曲線。

碳纖維增強樹脂基復合材料在受到外界濕熱環境影響時，水分子通過擴散和/或毛細作用逐漸滲入其內部，溫度會加速此滲透過程。進入復合材料內部的水分子會使樹脂基體的大分子鏈間距增大，從而發生溶脹，進而產生增塑。另外隨著水分子向樹脂基體的滲透擴散，會產生滲透壓，導致基體內部產生裂紋，使吸濕量增加，此時水分子會促進裂紋擴展，使基體產生破壞，基體斷鏈和解交聯，樹脂基體流失。在吸濕初期，由于水分子主要滲透進入復合材料內部的微小裂紋缺陷和樹脂分子的自由體積，此過程分子的擴散行為符合 Fick第二定律。在吸濕后期，由于樹脂基體在濕熱條件下產生了一系列的物理和化學變化，從而導致水分子的擴散行為偏離Fick第二定律。

從圖 1中可以看出，復合材料在濕熱處理過程中，濕熱開始后360 h以內，復合材料的吸濕率隨時間的增加而呈現逐漸上升的趨勢；當濕熱時間超過360 h，吸濕率變化曲線趨緩；濕熱處理432 h時，復合材料達到飽和狀態，吸濕率最終為1.34%。從圖2中可以看出，復合材料在120 h以內，吸濕率與t1/2呈現出線性關系，即表明復合材料在此階段內的吸濕規律符合Fick第二定律；在120 h以后，吸濕率與t1/2的關系出現線性偏離，從而表明在此階段，T300/QY8911復合材料中水分子擴散的行為已經不符合Fick第二定律，吸濕行為趨于復雜。T300/QY8911復合材料的吸濕參數：平衡吸濕率為 1.34%，吸濕速率為1.29×10-2s-1，擴散系數為 7.38×10-5mm2/s。

2.2 濕熱行為對玻璃化轉變溫度的影響

為了研究在濕熱條件下，T300/QY8911復合材料玻璃化轉變溫度與吸濕率之間的關系，分別對處理時間為0，48，72，168，432 h的試樣進行了DMTA分析。各濕熱處理條件下，T300/QY8911復合材料的損耗因子tanδ和掃描溫度θ之間關系曲線如圖3所示。

根據圖3中DMTA曲線tanδ峰所對應的玻璃化轉變溫度（θg）以及各個濕熱處理時間下的吸濕率，可獲得不同吸濕率條件下復合材料的玻璃化轉變溫度的變化規律，如圖4所示。

從圖4可以看出，T300/QY8911復合材料在吸濕條件下的θg隨吸濕率的上升而下降。在濕熱處理初期，即處理時間為0～48 h內，吸濕率為0～0.82%，復合材料的θg下降較快，隨后下降趨勢趨緩，吸濕趨于飽和時達最小值。經過432 h濕熱處理，達到飽和吸濕條件下的θg值為161.5 ℃，而未經濕熱處理時，干態下的θg值為 220.7 ℃，下降了 59.2℃，即θg下降幅度達26.8%。產生這種現象的主要原因是在濕熱條件下，水分子滲透進入復合材料的內部，使復合材料基體樹脂產生塑化，樹脂基體分子鏈段的活動能力得以提高，從而導致玻璃化轉變溫度降低。

2.3 濕熱行為對力學性能的影響

不同濕熱處理條件下，T300/QY8911復合材料的力學性能變化曲線如圖5和圖6所示。

從圖5可以看出，復合材料的拉伸強度隨著吸濕率增加出現小幅降低。在自然狀態和工程干態（0%吸濕率）下，復合材料拉伸強度分別為1441 MPa和1489 MPa；當復合材料吸濕率達到0.74%時，其拉伸強度降為1207 MPa，與自然狀態相比，降幅為16.2%。

從圖6中可以看出，隨著吸濕率的增加，復合材料壓縮強度的變化趨勢較小。在自然狀態和工程干態下，復合材料的壓縮強度分別為659 MPa和663 MPa；當復合材料的吸濕率達到 0.74%時，其壓縮強度為655 MPa，與自然狀態相比，降幅僅為0.6%，可見濕熱處理對復合材料的壓縮強度的影響不大。

3 結論

1）T300/QY8911復合材料的吸濕率隨濕熱處理時間呈現逐漸升高的趨勢，且升高趨勢逐漸變緩，在432 h到達飽和吸濕狀態。在濕熱處理初期（120 h以內），水分子在復合材料內的滲透過程符合 Fick 第二定律，飽和吸濕率為1.34%。

2）濕熱處理條件下，水分子在 T300/QY8911 復合材料中的擴散系數為 7.38×10-5mm2/s，吸濕速率為 1.29×10-2s-1。

3）T300/QY8911復合材料的玻璃化轉變溫度隨著吸濕率的增加呈下降趨勢，以對應于損耗模量（tanδ）峰的θg為基準，復合材料在飽和吸濕條件下的θg值比原始狀態下降了 59.2 ℃，下降幅度達26.8%。

4）T300/QY8911復合材料的拉伸強度隨著濕熱處理時間的延長呈現下降趨勢，而壓縮強度則變化不大。與自然狀態相比，濕熱處理120 h以后，拉伸強度的降幅達16.2%，壓縮強度的降幅僅為 0.6%。

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