玻璃纖維-鋁合金層合板氙燈老化性能研究

崔海超，熊磊，馬宏毅，翟全勝

（1.中航工業(yè)復合材料技術中心，北京 101300；2.南昌航空大學，南昌 330063）

FML（Fiber Metal Laminate）纖維-金屬混雜層合板由纖維預浸料復合材料層與金屬薄板疊層，給予溫度及壓力后，共同固化膠接而成，它綜合了樹脂基纖維復合材料及金屬的優(yōu)勢，具有優(yōu)異的耐疲勞性、抗沖擊韌性及高的比強度等性能[1-5]。雖然混雜材料兼具復合材料與金屬材料的性能優(yōu)勢，但飛行器在高空面臨著各種環(huán)境考驗，如濕熱、紫外線等，而纖維-金屬混雜材料內部的樹脂有機物及較多的結合界面在老化條件環(huán)境中會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，影響結構性能[6-7]。玻璃纖維-鋁合金層合板作為第三代纖維-金屬層合板，在民用及軍用飛機中的應用最為廣泛，其中空客公司A380飛機的頂拱及前緣等均采用了該類材料制造。飛機飛行過程中時刻暴露于紫外線等光線的照射之中，材料性能的穩(wěn)定是飛機運行安全的基礎[8-10]。國內外對于玻璃纖維、碳纖維復合材料或鋁合金材料的老化性能、機理等開展了大量研究工作[11-16]，而玻璃纖維-鋁合金層板混雜復合材料的氙燈老化實驗在文獻中尚未見研究。

文中針對玻璃纖維-鋁合金層合板試樣采用氙燈加速老化的方法處理，研究不同氙燈老化時間后復合材料層及界面的形貌變化，對材料的老化靜態(tài)力學性能變化進行了研究，為玻璃纖維-鋁合金層合板的應用提供科學依據(jù)。

1 試驗

1.1 材料

該試驗使用中航工業(yè)復合材料中心研制的玻璃纖維-鋁合金層合板，層合板使用的鋁合金板牌號為2024-T3，名義厚度為0.254 mm，玻璃纖維預浸料牌號為S4C9-1200/SY-27，名義厚度為0.15 mm。使用的層合板結構包括單向及正交兩類，鋪層見表1，測試包括兩類結構的0°及90°方向。

表1 玻璃纖維-鋁合金層合板鋪層結構

1.2 老化環(huán)境及試驗方法

1）氙燈老化環(huán)境：試驗使用美國Q-LAB公司生產的Q-Panel氙燈燈管作為輻照光源，設定輻照度為500 W/m2，光源波長范圍為290～800 nm，黑板溫度范圍為（40±5）℃，相對濕度為40%，每個測試周期為 14 d。

2）靜態(tài)力學試驗采用上海龍華公司生產的萬能試驗機（型號為WDW-50C），試樣規(guī)格及標準見表2。其中，彎曲試驗時，使試樣背光面向上，與試驗機壓頭接觸，試樣曝光面向下。

3）顯微形貌及元素分析，使用 FEI公司的掃描電子顯微鏡（型號為 QUANTA-200）觀察鋁合金顯微形貌，元素分析使用與掃描電子顯微鏡聯(lián)用的射線能譜儀。使用JEOL公司的掃描電子顯微鏡（型號為BCPCAS4800）觀察復合材料層顯微形貌，放大倍率為500～2000倍。

表2 試樣規(guī)格及標準

4）紅外光譜分析，光譜分析實驗使用 Nicolet公司的紅外光譜儀（型號為FIR750），掃描波數(shù)范圍為 4000～400 cm－1，信噪比為 2000∶1。

2 結果與分析

2.1 靜態(tài)力學性能

通過表征玻璃纖維-鋁合金層合板在不同氙燈老化周期后的典型力學性能，分析材料在氙燈老化后的拉伸破壞過程。

2.1.1 靜態(tài)拉伸強度及模量

實驗測試了單向、正交兩類結構的0°及90°材料拉伸強度及模量，不同老化周期數(shù)據(jù)曲線如圖1所示。

圖1 不同老化周期的數(shù)據(jù)曲線

由圖 1可以看出，四種結構玻璃纖維-鋁合金層合板的拉伸強度及模量隨老化時間的延長均呈現(xiàn)下降趨勢。正交結構兩個方向試樣的拉伸強度對于氙燈環(huán)境相對敏感，對比未老化及老化84 d后的層合板性能，兩種結構層合板的拉伸強度均降低13.7%，模量分別降低2.5%和2.1%，而單向0 °及90°層合板拉伸強度分別降低7.6%和4.5%，模量分別降低3.9%和4.1%。

觀察氙燈老化后的試樣端面，老化前后未產生明顯變化，但拉伸強度產生了不同程度的下降趨勢，依賴鋁合金層承載的單向 90°玻璃纖維-鋁合金層合板及依靠纖維增強體承載的單向 0°玻璃纖維-鋁合金層板拉伸強度波動性較小。這表明老化過程并未使材料基體樹脂及玻璃纖維增強體發(fā)生結構性破壞，僅對玻璃纖維-鋁合金層合板中的樹脂交聯(lián)分子鏈產生了作用，破壞了部分已交聯(lián)的分子鏈結構，降低了樹脂交聯(lián)程度。同時影響了鋁合金-樹脂及樹脂-纖維的界面性能，氙燈光照對于單向結構層合板影響較小，但界面性能的降低對于玻璃纖維增強體在承載后的應力傳遞產生了一定影響。這種情況在對界面性能依賴性高的正交鋪層結構中表現(xiàn)得尤為明顯，使正交0°及正交 90°玻璃纖維-鋁合金層合板拉伸強度降低了13.7%。

四種結構的玻璃纖維-鋁合金層板拉伸破壞形式相同，以單向結構玻璃纖維-鋁合金層板 0°拉伸破壞為例，如圖2所示。破壞形式包括復合材料層的纖維及基體破壞及鋁合金層發(fā)生的塑性變形破壞。復合材料層及鋁合金層的模量存在著較大差異，樹脂-鋁合金界面對于傳遞兩者的應力起至關重要的作用。在玻璃纖維-鋁合金層合板未經(jīng)歷老化時，其中存在的纖維-樹脂及鋁合金-樹脂界面未發(fā)生破壞，拉伸過程中的拉伸應力可由鋁合金、樹脂和玻璃纖維共同承載。在纖維及鋁合金層內部應力裂紋萌發(fā)初期，樹脂基體的韌性及纖維在層內的橋接作用，可抑制裂紋的擴展趨勢。由于鋁合金的斷裂伸長率遠高于復合材料層，在拉伸過程中，玻璃纖維-鋁合金層合板內部的復合材料層首先發(fā)生破壞，此時應力超過了鋁合金塑性變形應力，使鋁合金層斷裂。

圖2 拉伸破壞試樣（單向0°）

2.1.2 靜態(tài)彎曲強度及模量

玻璃纖維-鋁合金層合板單向、正交兩類結構 0°及90°方向的彎曲強度及模量曲線分別如圖3和圖4所示。彎曲強度及模量隨著氙燈老化周期的延長而降低，下降幅度較小。在氙燈老化84 d后，單向結構的0°和90°及正交結構90°三類玻璃纖維-鋁合金層合板的彎曲強度及模量下降均小于3%，正交結構0°試樣對于氙燈老化相對敏感，強度及模量分別降低4.6%和 4.4%。另外，正交 0°試樣在同等周期時的強度及模量要高于正交90°試樣，表明正交結構的彎曲性能與試樣中的0°預浸料層位置有關，0°預浸料越靠近表層，玻璃纖維-鋁合金層合板的支撐性越強。由于玻璃纖維-鋁合金層合板具有極高的韌性，僅單向0°、正交0°及正交90°試樣在老化70 d時開始出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，如圖5所示，而單向90°試樣老化80 d后仍未出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象。

圖3 不同老化時間的彎曲強度曲線

圖4 不同老化時間的彎曲模量曲線

兩種鋪層結構玻璃纖維-鋁合金層板彎曲性能的變化趨勢及彎曲破壞現(xiàn)象，也說明了樹脂基體在氙燈老化過程中發(fā)生了降解作用，使復合材料層發(fā)生塑化效應，降低了材料的模量。隨老化周期的延長，明顯降低了鋁合金-樹脂界面性能，但對于纖維-樹脂界面的影響較小，這也是在彎曲過程中，復合材料層未發(fā)生分層的原因。

圖5 老化65 d

2.2 紅外光譜分析

分析不同老化周期試樣拉伸破壞后的玻璃纖維復合材料層紅外圖譜，如圖6所示。C—H和苯環(huán)的特征峰分別位于2976 cm-1和1590 cm-1波段處，兩個波峰隨老化時間的延長逐漸減弱，復合材料層中的樹脂基體發(fā)生了降解，降解使得環(huán)氧熱固性樹脂的交聯(lián)程度減小，使材料塑化。同時927～1050 cm-1處的玻璃纖維Si—O特征峰強度逐漸增強，表明樹脂與玻璃纖維界面結合力減弱，樹脂從玻璃纖維上脫落程度增加，這也可以從破壞后復合材料層內的顯微形貌中可以看出。老化前后破壞試樣的層內形貌如圖7所示，未老化試樣中的樹脂仍然附著于纖維上，老化后試樣的光滑玻璃纖維已經(jīng)裸露。氙燈老化后的界面弱化降低了纖維的橋接作用，阻礙了載荷的有效傳遞，弱化界面不利于阻止層內微裂紋的擴展，將導致層合板力學性能下降。

圖6 不同老化周期的復合材料層紅外光譜圖

圖7 老化前后破壞試樣的層內形貌

2.3 鋁合金表面形貌

觀察拉伸破壞后的玻璃纖維-鋁合金層合板表面鋁合金板隨老化時間的變化，層合板表面鋁合金層的表面形貌變化與結構類型無關，僅與老化時間相關。因此僅分析單向結構0°方向試樣的鋁合金表面，如圖8所示，圖中標示了鋁合金表面顯微形貌元素圖譜。

圖8 不同老化周期后的鋁合金表面形貌及元素分析（單向0°）

從圖8可以看出，鋁合金表面存在的微凹坑數(shù)量及大小隨老化時間的延長并未發(fā)生明顯變化，表面主要元素均為Al和O，凹坑處的O含量隨老化時間的延長略微增加，其他位置的O元素含量未發(fā)生變化。實驗表明，在受到氙燈光照后，對于鋁合金的腐蝕程度很低。凹坑處 O元素含量的增加是由于在層合板制造過程中，鋁合金表面致密的陽極氧化薄膜發(fā)生了破損，裸露了內部的鋁合金層，鋁在自然條件氧化時，形成的Al2O3薄膜層致密程度較低，在受到氙燈光照后，促進了氧化程度的增加，使氧化膜厚度增加。

4 結論

1）不同鋪層結構玻璃纖維-鋁合金層合板的拉伸強度及模量隨老化時間的延長而下降，正交結構的玻璃纖維-層合板的拉伸強度在老化84 d后下降13.7%，單向結構層合板0°及90°方向的拉伸強度在老化84 d后分別下降7.6%和4.5%，兩類層合板的拉伸模量降幅均在5%以內。

2）正交結構的彎曲性能與試樣中的0°預浸料層位置有關，正交結構層合板0°彎曲強度和模具分別降低4.6%和4.4%，其他結構層合板的彎曲強度及模量降幅小于3%。

3）玻璃纖維-鋁合金層板中的復合材料層在氙燈老化過程中發(fā)生了基體降解，使基體產生了塑化作用，減小了樹脂交聯(lián)程度，弱化了樹脂與纖維、金屬的界面，影響了材料的力學性能。

4）鋁合金在氙燈老化過程中局部受到光照腐蝕，但腐蝕程度較小，老化過程對于鋁合金的塑性變形產生了一定的影響。

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