濕熱環境下碳纖維環氧樹脂復合材料拉伸性能研究

杜永, 馬玉娥

(西北工業大學 航空學院, 陜西 西安 710072)

因其高強度、高剛度和低比重等優異的性能,碳纖維增強復合材料被廣泛應用于航空航天等領域[1-2]。航空航天材料在服役過程中不可避免地受到環境因素如溫度、濕度、化學腐蝕和紫外線輻射等的影響[3]。其中溫度和濕度對復合材料的影響最為顯著,導致其力學性能大幅降低甚至提前失效破壞[4-6]。

由于碳纖維基本不存在吸濕行為[7],濕熱環境中的水分主要被基體吸收。吸濕后材料的局部密度發生變化[8],基體的吸濕和水解導致分子量降低,最終導致纖維/基體界面分層降低了材料的宏觀力學性能[9-12]。在復合材料吸濕特性的研究中，應用最廣泛的是Fickian模型[13]。隨著研究的進一步深入,一些學者發現復合材料的吸濕過程呈現出階段性[14]:當吸濕量小于飽和吸濕率60%時,吸濕行為仍滿足Fickian模型;當吸濕量大于飽和吸濕率60%時,顯示出non-Fickian現象[15-16]。

在濕熱環境對復合材料力學性能影響的研究中,主要的影響因素是溫度和濕度以及纖維和樹脂的類型。Guermazi等[17]對比了濕熱環境下碳纖維環氧樹脂基、玻璃纖維環氧樹脂基及混雜纖維復合材料的吸濕特性和力學性能退化,發現濕熱環境中水分和溫度引起復合材料基體塑化,從而導致復合材料的模量和強度降低。相比于玻璃纖維環氧樹脂基復合材料,碳纖維環氧樹脂基復合材料的強度和模量下降較小。楊旭東等[18]研究了3種濕熱環境下CFRP層合板的吸濕特性和性能退化機理,發現樹脂基體上的親水基團在85℃,85%RH的濕熱環境中僅與水分子通過氫鍵形成分子間締合而未發生化學反應,CFRP層板力學性能退化與化學變化無關。Kumar等[19]發現碳纖維/環氧復合材料層合板的力學性能對吸濕較為敏感,復合材料浸泡1個月之后,其縱向拉伸強度下降了25%～30%,繼續浸泡強度基本保持不變,橫向拉伸強度隨著吸濕時間的增加呈快速下降趨勢,面內剪切強度的變化規律表現為先增加后減小的趨勢。

現有文獻主要集中在不同溫度、濕度和樹脂類型對碳纖維復合材料吸濕特性和力學性能的影響[20-22],而對不同鋪層角度吸濕特性和力學性能的研究較少。故本文針對TG800/E207碳纖維增強環氧樹脂基復合材料,制備了[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s4種鋪層的試樣,研究了濕熱環境下復合材料鋪層角度對其吸濕特性和力學性能退化的影響。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

選用[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s4種鋪層的TG800/E207碳纖維環氧樹脂復合材料為試驗對象,預浸料纖維含量為67%±2%,在125℃條件下固化而成,單層厚度為0.125 mm。

1.2 試驗方法

為了精確控制吸濕試驗所需要的溫度和濕度,在恒溫恒濕環境箱中進行吸濕試驗。根據ASTM D5229[23]測試標準要求,加速吸濕試驗的最高溫度應至少比濕態玻璃化轉變溫度(Tg)低25℃,E207環氧樹脂的濕態玻璃化轉變溫度為110℃,因此吸濕試驗的溫度設置為80℃,相對濕度為90%。試驗過程中,使用精度為0.1 mg的FA2104B電子分析天平,每隔24 h測量一次試驗件質量,當試驗件前后2次測量的質量變化小于萬分之一時,認為試驗件在80℃,90%RH環境中達到吸濕飽和平衡。

根據ASTM D3039試驗標準[24],采用電子萬能試驗機進行拉伸性能試驗,加載速率為1 mm/min。試驗在23℃干態(RTD)和23℃濕態(RTW)2種條件下進行,每種鋪層的試樣各3件,使用顯微鏡觀察破壞形貌。對比2種環境下的試驗結果,比較和討論濕熱處理對不同鋪層碳纖維/環氧復合材料拉伸性能的影響。

2 結果與討論

2.1 濕熱試驗結果

2.1.1 吸濕動力學曲線

為了得到濕熱環境下復合材料吸濕曲線,根據(1)式對吸濕結果進行處理,并對不同鋪層試驗件的吸濕曲線進行對比。

(1)

式中:Mt為試驗件吸濕t小時后的吸濕率;W0和Wt分別為未吸濕和吸濕t小時后的試驗件質量。

圖1為不同鋪層角度的復合材料層合板吸濕曲線。可以看出TG800/E207碳纖維環氧樹脂復合材料的吸濕曲線呈現出多階段現象。通過(2)式可以計算出每一階段的吸濕速率R。表1列出了各鋪層復合材料層板第一、二和三階段的吸濕速率。

表1 各階段吸濕速率

圖1 不同鋪層角度的復合材料層合板吸濕曲線

(2)

式中,M1和M2分別是吸濕時間為t1和t2時的吸濕量。

圖1中鋪層角度的不同導致趨于平衡時的吸濕量不同,但各鋪層試樣的吸濕曲線趨勢大致相同。各鋪層試樣的吸濕曲線數據為3件試樣的平均值,誤差均小于0.027%,數據分散性較小,如圖1所示。吸濕曲線可以根據吸濕時間劃分為4個階段。第一階段:吸濕時間小于24 h;第二階段,吸濕時間為24～96 h;第三階段,吸濕時間為96～648 h;第四階段,吸濕時間為648～1 608 h。前3個階段復合材料層板的吸濕量與時間的平方根均呈線性關系,第四階段復合材料層板的吸濕量隨吸濕時間的增加而逐漸趨于平衡。當吸濕時間達到1 608 h時,復合材料層板達到最終吸濕,[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s的最終吸濕量分別為0.870%,0.806%,0.843%和0.876%。[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復合材料層板的最終吸濕量與[0]16復合材料層板相比,分別相差-7.36%,-3.10%和0.69%。

從表1可以看出,同一鋪層復合材料層板的吸濕速率隨著吸濕時間的增加而減少。這是由于在吸濕過程中,水分子首先進入復合材料內部的空隙和裂紋等缺陷[20];然后水分子與樹脂中的高分子結合,使樹脂膨脹變形,纖維/基體界面產生分層,樹脂內部產生微裂紋[18],提供吸濕空間;最后樹脂中的高分子會發生化學變化,并且再次固化產生大量的親水基[25],進一步吸濕。

2.1.2 濕熱損傷模式

圖2為吸濕過程中的復合材料層板損傷形貌。從圖2a)中可以看出,4種鋪層復合材料層板表面沒有明顯的分層、裂紋或其他損傷。在圖2b)中,4種鋪層復合材料層板都出現輕微的分層現象,這是由于碳纖維和樹脂基體的濕熱膨脹系數不同,在濕熱環境中,兩者的膨脹變形差異導致復合材料纖維/基體界面分層。在圖2c)中,除了微分層明顯增加外,還出現了一些微孔,說明隨著吸濕時間的增加,水分子和樹脂基體的高分子進一步結合,使樹脂產生水解、斷鏈、交聯結構破壞等變化,造成宏觀上樹脂的破壞。[90]16試樣還出現了沿Z方向的輕微分層,這是由[90]16試樣的鋪層方向決定的。在圖2d)中,吸濕平衡時損傷情況更為嚴重,說明吸濕損傷隨著吸濕時間的增加而進一步增加。

圖2 吸濕過程中的損傷演化

2.2 拉伸試驗結果

2.2.1 拉伸破壞形貌分析

圖3為23℃干態(RTD)和23℃濕態(RTW)條件下4種鋪層復合材料層板的破壞形貌。從圖3a)可以看出,在RTD條件下[0]16復合材料層板的纖維斷裂面較為平齊,在靠近夾持端處存在層間分層和界面脫膠。說明在拉伸斷裂過程中,大部分的纖維是同時斷裂,纖維/基體界面沒有大范圍破壞,界面粘接性能良好。從圖3b)可以看出,在RTW條件下[0]16復合材料層板斷口處纖維束拔出,纖維/基體界面分層現象嚴重。說明在RTW條件下纖維/基體界面性能明顯下降,界面失效后載荷傳遞不均,部分纖維首先斷裂導致纖維束拔出,最終導致復合材料層板破壞。從圖3c)可以看出,在RTD條件下[90]16復合材料層板的失效模式為基體拉伸斷裂,層板表面光滑,沒有可見損傷,斷口處有少許纖維束粘連。從圖3d)可以看出,在RTW條件下[90]16復合材料層板的主要失效模式仍為基體拉伸斷裂,但層板表面出現裂紋和孔洞等損傷模式,斷口處纖維束粘連明顯增多。這是由于在RTW條件下擴散進復合材料的水分子與樹脂基體中高分子結合,使得基體溶脹,體積增大,最終形成裂紋和孔洞。從圖3e)可以看出,在RTD條件下[±45]4s復合材料層板的主要失效模式是分層和纖維斷裂,且纖維斷裂主要集中在上下表面處的纖維層,而層板中間的纖維層主要為分層失效,纖維層較為完整。從圖3f)可以看出,在RTW條件下[±45]4s復合材料層板中各纖維層均出現嚴重的分層損傷以及纖維和基體斷裂,上下表面的纖維層呈現毛刺狀形貌,各纖維層已完全破壞,說明濕熱環境下纖維/基體界面粘接性能完全退化。從圖3g)和3h)可以看出,在RTD和RTW條件下[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復合材料層板的主要失效模式均為分層和纖維斷裂,且在RTW環境下層板的纖維斷裂和分層現象更加嚴重,這一點與[±45]4s復合材料層板相似。但不同之處在于[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復合材料層板各纖維層并未完全破壞,這主要是由于0°纖維層在其中承擔了一部分載荷,而濕熱環境只是引起0°纖維層的分層,但對其強度影響較小,這一情況與[0]16復合材料層板的破壞模式相吻合。

圖3 不同鋪層層合板在RTD和RTW環境下拉伸斷口形貌

2.2.2 載荷位移曲線

圖4為23℃干態(RTD)和23℃濕態(RTW)條件下4種鋪層復合材料層板的載荷位移曲線。從圖4a)中可以看出,在RTD條件下[0]16復合材料層板的載荷位移曲線呈線性增長,且斜率大于RTW條件下的曲線。但是當加載到45 kN時,RTW條件下曲線開始偏折,斜率降低,對應復合材料層板最外層纖維層產生損傷,這是由于濕熱環境中復合材料的最外層首先達到并始終處于吸濕平衡狀態,也說明[0]16復合材料層板的損傷也是由外向內逐層產生的。從圖4b)中可以看出,2種條件下[90]16復合材料層板的載荷位移曲線趨勢相同,均是在載荷達到峰值后發生突降。這是由于[90]16復合材料層板的失效模式為基體拉伸斷裂,而碳纖維吸濕能力有限,水分擴散主要在樹脂基體內。從圖4c)中可以看出,在初期加載階段,[±45]4s復合材料層板的載荷位移曲線呈線性增加,2種條件下曲線基本重合;隨著載荷的進一步增加,進入損傷階段,曲線斜率降低,且RTW條件下的曲線斜率小于RTD條件下斜率,說明在此階段RTW條件下層板的承載能力小于RTD條件下的承載能力;在最終失效階段,RTD條件下層板在載荷達到峰值后發生突降,但RTW條件下層板的曲線發生輕微波動后發生突降,說明在載荷峰值后RTW條件下層板的破壞并不是所有纖維層同時破壞,仍有一部分纖維層可以承載,只是承載能力不足所以很快便發生載荷突降。從圖4d)中可以看出,2種條件下[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復合材料層板的載荷位移曲線趨勢相同,且與[90]16復合材料層板類似,RTW條件下的曲線斜率小于RTD條件下的斜率。

圖4 在RTD和RTW環境中復合材料層合板載荷-位移曲線

表2為23℃干態(RTD)和23℃濕態(RTW)條件下[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復合材料層板的失效載荷和失效位移的對比,其中失效載荷和失效位移均為3個有效數據的平均值。可以看出在RTW條件下[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復合材料層板的失效載荷相比RTD條件分別降低了13.80%,27.36%,10.70%和25.60%;失效位移分別降低了1.93%,1.20%,10.69%和1.51%。其中[90]16的失效載荷降低最多且最終吸濕量最小,如圖1所示,這是由于濕熱環境中水分主要引起樹脂基體的性能退化,而[90]16試驗件的失效模式為基體拉伸斷裂。

表2 2種條件下4種鋪層復合材料層板的破壞載荷和破壞位移比較

3 結 論

1) 濕熱環境中TG800/E207碳纖維/環氧復合材料層板的吸濕曲線呈現多階段性,同一鋪層復合材料層板的吸濕速率隨著吸濕時間的增加而減少;其各階段吸濕速率和最終吸濕量受鋪層的影響,與[0]16復合材料層板相比,[90]16、[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復合材料層板最終吸濕量分別相差-7.36%,-3.10%和0.69%。[90]16的最終吸濕量最低,僅為0.806%;[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s的最終吸濕量最高,為0.876%。

2) 在吸濕試驗中,碳纖維和樹脂基體的濕熱膨脹差異導致試樣表面出現輕微的分層和微孔等損傷,且隨著吸濕時間的增加吸濕損傷逐漸增加。

3) RTD條件下復合材料層板纖維/基體界面性能明顯強于RTW條件下的界面性能,[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s復合材料層板的主要失效模式分別為纖維斷裂、基體斷裂和分層。

4) 與RTD條件下復合材料的失效載荷和失效位移相比,RTW條件下復合材料層板的失效載荷和失效位移減小,[0]16,[90]16,[±45]4s和[+45/0/0/-45/-45/0/0/+45]s的失效載荷分別降低了13.80%,27.36%,10.70%和25.60%;失效位移分別降低了1.93%,1.20%,10.69%和1.51%。其中[90]16的失效載荷下降最多且最終吸濕量最小,所以濕熱環境對[90]16層板的力學性能影響最大。