復合材料壽命預測方法研究

費楚然，王 偉

(中廣核高新核材科技(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215435)

復合材料作為增強材料，在實際使用過程中會發生不可避免的老化，隨著老化程度的積累，將對其本身使用性能造成影響。纖維增強樹脂基復合材料具有優異的機械性能、抗疲勞性能優異、高溫性能優良和可設計性佳等優點，但同時也有一些缺點，在服役環境下(如紫外光光輻射、溫度、濕度、鹽霧等)其性能易于惡化。在單一或多個環境因素綜合的影響下均會導致纖維增強樹脂基復合材料的性能發生變化[5]。在該環境因素的影響下導致基體、纖維或纖維/基體界面發生變化或破壞[6]。如在機械沖擊、機械振動、應力、紫外光光輻射、溫度、濕度、酸、堿、鹽溶液和有機化合物作用下導致復合材料的纖維/基體界面發生變化或破壞[7]，導致復合材料使用壽命或者性能下降。

對于材料某個特定的性能參量，如材料強度，可能隨著使用時間的增加，性能逐漸下降，也有可能在沒有任何征兆的情況下大幅下降。環境的復雜性導致了材料強度老化的難以預測，給實際使用帶來了巨大的風險。

因此，研究不同環境因素對復合材料性能影響的規律和機理[8]對其可靠性的評價非常重要，也將直接影響復合材料使用壽命的判斷。

1 壽命評價方法與原理

1.1 老化終止性能指標的選擇

聚合物基復合材料在實際使用過程中，作為增強材料，一直處于持續載荷狀態，對其力學性能有著嚴格的要求。但，對于聚合物基復合材料而言，碳纖維和玻璃纖維耐老化性能遠超過高分子聚合物，因此其老化主要表現為高分子聚合物的老化以及基體與增強纖維之間界面的破壞，在基體與增強纖維之間的界面未破壞前，即老化尚未通過纖維通道或基體中的細微通道對纖維表面或附近的基體產生脫離作用，拉伸強度可能變化不大。但與聚合物性能密切相關的彎曲強度、壓縮強度以及Tg等可能較快的產生變化，可以比較直觀的反映出來老化作用。

1.2 半經驗數學模型

俄羅斯全俄航空材料研究院的Г.M.古尼耶夫等通過對復合材料的自然老化壽命研究，得出復合材料強度變化的半經驗數學模型[9-10]可用式(1)描述：

S=S0+η[1-exp(-λt)]-βln(1+αt)

(1)

式中:S——表示老化t小時后復合材料的剩余強度，MPa

S0——表示復合材料的初始強度，MPa

η——表示復合材料的固化程度參數

λ——表示復合材料材料和外部環境參數

t——表示老化作用時間，h

β——表示復合材料抵抗裂紋擴展的能力參數

α——表示外部環境侵的蝕性系數

通過對式(1)分析研究，發現只采用單一的宏觀參數α來表示環境中不同老化因素對復合材料性能的影響，不僅不能夠反映實際老化環境不同因素的變化，也不能體現出復合材料在實際服役環境中受各個主要老化因素的影響，使得式(1)在復合材料老化環境中的使用受到局限。

影響復合材料的老化因素有很多，如紫外線、溫度、濕度酸、堿、鹽溶液和有機化合物等。在考慮復合材料工作環境中的主要老化影響因素的條件下，提出復合材料的老化剩余壽命(強度)預測公式：

S=S1-ΣAiln[1+Bit(xi)](i=1,2,……)[9]

(2)

式中:S——復合材料老化一定時間后的剩余強度

S1=S0+ΔS

S0——復合材料的初始強度值

ΔS——復合材料后固化的增強項

xi——環境老化因素

Ai——復合材料在一定環境老化譜下的老化因素xi

Bi——復合材料對老化因素xi的抗老化能力參數

t(xi)——老化因素xi的等效當量的老化時間，表示式為：

(3)

由于式(1)和式(2)所給出的是復合材料剩余強度的均值，其曲線是中值曲線，即它的可靠度為50%[2]，也就是說復合材料老化后，其老化剩余強度有一半大于求出的值，一半小于這個值[18]，這對于工程設計及應用的意義不是很大[11]。在工程結構設計中需要用到的是老化剩余強度的A基值(對應于95%置信度、99%可靠度的老化剩余強度最小值[1,5])和B基值(對應于95%置信度、90%可靠度的老化剩余強度最小值[1,5])，以及估算復合材料高置信度、高可靠度老化壽命的方法[12，17]。因此，式(1)轉變為

SR=S’-βln(1+αt)-KR(t)σ

(4)

式中:SR——置信度為γ、可靠度為R的老化剩余強度，MPa

KR(t)——置信度為γ、可靠度為R的二維單側容限系數[19-20]

σ——老化剩余強度的標準差

2 模型參數的確定

2.1 單因子老化模型參數的確定

在預測性的建模方面經常使用回歸分析的方法[15]，通過利用數據統計原理，對大量單因子老化實驗數據進行數學處理，從而來確定單因子變量與復合材料給定的性能的相關關系，以加速老化后的強度為S值，通過擬合得到各單因子老化的模型參數。這樣求出的參數與真實值較為相近，使用此種方法不僅能夠充分利用各個時間下的老化試驗數據，而且所求得的參數相對準確。

2.2 多因子老化模型參數的確定

經過多因子共同老化，得到老化結果，并對老化后的強度進行擬合，得到各因子影響效應參數。

2.3 環境當量的確定

為了有效獲得實際環境條件與加速老化條件的有效轉換，必須獲得有效的環境當量[13]計算公式。因此，需要進行不同各個單因子老化不同加速老化條件下的加速老化試驗，并以最優的失效性能[14]得到不用條件下的曲線模型。比較分析不同條件下的曲線模型，得到環境當量的換算公式。

考慮到加速老化與環境老化的關系，引入環境當量K1、K2、K3，分別為:

(6)

(7)

(8)

式中:K1、K2、K3——高溫、濕熱、鹽霧老化環境當量

t1、t2、t3、t4、t5、t6——加熱高溫老化、環境溫度下、高溫濕熱、環境濕熱、紫外加速老化、環境紫外老化時間

T1、T2、T3、T4——加熱高溫老化、環境溫度下、高溫濕熱、環境濕熱溫度

φ3、φ4——高溫濕熱、環境濕熱濕度

U5、U6——外加速老化、環境鹽霧濃度

C1、C2、C3——高溫、濕熱、鹽霧老化試驗系數

根據試驗，得到環境當量中高溫、濕熱、鹽霧老化試驗系數。

2.4 實際使用壽命的預估

對于原始未經使用的復合材料，我們可以通過測定其強度S0，以70%S0為失效點S(或測定Tg，以長期使用溫度+15 ℃作為失效點)，并預估其實際使用中的溫度、濕度、鹽霧濃度等往年同期總量，代入式(5)來預測其使用壽命。

而對于已經使用過一段時間(t)的復合材料，想要估算其剩余壽命，可以采取相似的方法：如前所述，取S1=S0+ΔS，S0為初始強度值，ΔS為材料后固化增強項[16]，二者均為定值，其中S0可以取原始復合材料直接測出，根據擬合得到的S1值，我們可以計算得到ΔS，此時可以上式略加改動，改變初始條件，即變為S2=St+ΔS，其中，St通過實際測試得到，同樣取70%S0為失效點，代入式(8)即可預測該復合材料的剩余使用壽命。

3 實驗研究方案

在試驗中，應該選擇一個合理的失效性能作為檢測手段，因此，首先應分別進行高溫、濕熱、鹽霧等的單因子老化試驗，并對不同時間的樣品進行抗拉強度、彎曲強度、Tg、壓縮強度等性能的檢測，觀察各種性能的變化趨勢，選擇最優的失效性能進行研究。同時，根據最優的失效性能，通過擬合得到單因子老化的曲線模型。加速老化無需達到最終的70%的失效點，只需得到一個有效的曲線模型。單因子老化相對多因子老化試驗增加紫外光老化，觀察其老化情況。

3.1 高溫老化試驗

高溫老化試驗，采用高溫試驗箱進行，分為三個不同的溫度進行，分別為120 ℃、160 ℃和200 ℃。樣品為同一批次同一工藝條件下的復合材料，每組復合材料樣品，老化試樣取樣間隔500 h，預計最長老化時間5000 h。

3.1.1 高溫老化實驗試樣的測試

由于復合材料在實際運行當中，處于受力狀態，因此，首先考慮復合材料的抗拉強度指標。其次，復合材料在使用當中，由于使用環境溫度的的影響，為保證復合材料的安全運行，復合材料的Tg不能太低，因此需要對復合材料的Tg進行測試。另為更好的反映復合材料的老化變化，補充測試復合材料的彎曲強度和壓縮強度。

(1)抗拉強度

根據ISO 527-5:2009 《塑料·拉伸性能的測定.第5部分:單向纖維增強塑料復合物的試驗條件》中拉伸強度的測試規定，采用(2.0±0.2) mm/min測試速度進行測試。

(2)Tg

按ISO 11357-2:2020《塑料·差示掃描量熱法(DSC).第2部分:玻璃轉變溫度和斷差膜厚的測定》中玻璃化轉變溫度測試的規定，采用半高法方法進行測試，測試條件20 K/min。

(3)彎曲強度

按照ISO 14125:1998《纖維加強的塑料復合物彎曲性能的測定》的規定，采用四點彎的方法進行測試。

(4)壓縮強度

按照ISO 14126:1999 《纖維增強塑料復合材料平面方向壓縮性的測定》中平面方向壓縮性測試的規定，采用(1.0±0.2)mm/min測試速度進行測試。

3.1.2 高溫老化實驗數據的處理

每一組的高溫老化實驗的測試數據根據等式S=S1-βln(1+αt)進行百分回歸擬合，得到相關的S1、α、β。預計得到相關模型在6個以上。后分析不同實驗條件下的模型，得到運行環境下的模型。后根據運行環境下的模型得到在單獨高溫老化下復合材料的使用壽命。

3.2 濕熱老化試驗

濕熱老化試驗，采用濕熱試驗箱進行，分為三個不同的條件進行40 ℃+90%濕度、60 ℃+90%濕度、80 ℃+90%濕度。樣品為同一批次同一工藝條件下的復合材料樣品，每組試樣，老化試樣取樣間隔500 h，預計最長老化時間5000 h[8]。

3.2.1 濕熱老化實驗試樣的測試

濕熱老化實驗試樣的測試，同3.1.1高溫老化試樣的測試，分別測試抗拉強度、Tg、彎曲強度、壓縮強度。

3.2.2 濕熱老化實驗數據的處理

每一組的濕熱老化實驗的測試數據根據等式S=S1-βln(1+αt)進行百分回歸擬合，得到相關的S1、α、β。預計得到相關模型在6個以上。后分析不同實驗條件下的模型，得到運行環境下的模型。后根據運行環境下的模型得到在單獨濕熱老化下，復合材料的使用壽命。

3.3 鹽霧老化試驗

鹽霧老化試驗，采用鹽霧試驗箱進行，只進行一個條件下的老化實驗，即ISO 4611:2010。樣品為同一批次同一工藝條件下的復合材料，每組樣品，老化試樣取樣間隔500 h，預計最長老化時間5000 h。

3.3.1 鹽霧老化實驗試樣的測試

鹽霧老化實驗試樣的測試，同3.1.1高溫老化試樣的測試，分別測試抗拉強度、Tg、彎曲強度、壓縮強度。

3.3.2 鹽霧老化實驗數據的處理

每一組的高溫老化實驗的測試數據根據等式S=S1-βln(1+αt)進行百分回歸擬合，得到相關的S1、α、β，并以失效點進行計算，得到在實驗條件下，復合材料的使用壽命。

4 結 論

使用本文提出的復合材料老化實驗方案，進行老化模型參數確定，建立老化壽命預測模型，能夠比較全面的評估環境中不同老化因素(如光照、溫度、濕度、鹽霧等)對復合材料性能的影響，該方法不僅能夠比較全面的評估環境中不同老化因素對材料性能的影響，還能充分考慮了主要因素對材料實際使用壽命的影響。

使用本文提出的復合材料壽命預測模型方案，充分考慮了材料在實際環境中的單因子和多因子耦合情況下對材料壽命和性能的影響，對在自然環境中材料壽命預測和剩余性能預估的研究方面有很強的參考性。