0引言

近年來,先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料因具有高的強(qiáng)度、剛度和優(yōu)異的耐腐蝕性能,在航空航天等工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。盡管樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐腐蝕性能,但最近研究表明,它在一定的溫度、濕度、紫外光等條件下也會(huì)發(fā)生腐蝕使其力學(xué)性能降低[1-2],其中濕熱老化是樹脂基復(fù)合材料的主要腐蝕失效形式[3-6]。濕熱環(huán)境對(duì)樹脂基復(fù)合材料性能的影響主要是通過對(duì)樹脂基體、增強(qiáng)纖維以及樹脂/纖維粘接界面產(chǎn)生不同程度的破壞而產(chǎn)生的。溫度變化容易產(chǎn)生熱應(yīng)力損傷,吸濕結(jié)晶則易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展、基體降解等問題,使材料使用壽命降低。因而樹脂基復(fù)合材料的使用壽命成為該材料使用中的主要問題。目前,由于T300碳纖維價(jià)格昂貴,大大增加了T300碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)成本。為了降低成本,滿足目前碳纖維復(fù)合材料的市場需求以及進(jìn)一步擴(kuò)大碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用,選擇一種價(jià)格相對(duì)低廉的碳纖維作為T300的替代品顯得非常迫切。T700碳纖維就是一種很好的替代產(chǎn)品,其價(jià)格僅為T300的1/10[7]。

老化試驗(yàn)是評(píng)價(jià)和研究各種材料在一定環(huán)境下的耐老化性能和老化規(guī)律的一種手段[8-11]。老化試驗(yàn)方法可分為兩類:(1)自然老化試驗(yàn),即利用自然環(huán)境條件或自然介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn);(2)加速老化試驗(yàn),即利用人工方法,在室內(nèi)或設(shè)備內(nèi)模擬近似于大氣環(huán)境條件或某種特定的環(huán)境條件,并強(qiáng)化某些因素,以期在較短時(shí)間內(nèi)獲得結(jié)果。作者針對(duì)某樹脂基復(fù)合材料部件在制造車間、產(chǎn)品庫房和露天條件三種濕熱老化環(huán)境中,對(duì)T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基和T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料以及兩種復(fù)合材料與金屬膠接結(jié)構(gòu)進(jìn)行濕熱加速老化試驗(yàn),并對(duì)老化前后的材料進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)和無損檢測。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1試樣制備

試驗(yàn)材料為T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基和T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基預(yù)浸帶制成的復(fù)合材料試板,其中兩種碳纖維的體積分?jǐn)?shù)名義值均為60%。分別按ASTMD3039,ASTMD6641,ASTMD790,ASTMD2344,ASTMD3518和ASTMD1002-2005的要求加工出縱向和橫向拉伸試樣、縱向和橫向壓縮試樣、縱橫剪切試樣、彎曲試樣、層間剪切試樣以及復(fù)合材料/金屬膠接結(jié)構(gòu)剪切試樣。其中,復(fù)合材料/金屬膠接結(jié)構(gòu)無損檢測試樣的幾何形狀及尺寸見圖1,剪切試樣的幾何形狀及尺寸見圖2。

       由表1可見,濕熱老化對(duì)T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(簡稱T700復(fù)合材料)力學(xué)性能的影響不大,與未老化試樣的力學(xué)性能相比,老化后除縱向和橫向壓縮強(qiáng)度有所降低(保持率分別為88.6%和83.4%)外,其他各項(xiàng)力學(xué)性能均沒有明顯的降低。與未老化試樣性能相比,加速老化70d后試樣的縱向拉伸強(qiáng)度和縱向拉伸模量分別提高了7.2%和9.2%,橫向拉伸強(qiáng)度和橫向拉伸模量分別提高了13.8%和5.3%;縱向壓縮強(qiáng)度和縱向壓縮模量分別降低了11.4%和3.6%,橫向壓縮強(qiáng)度降低了16.6%,而橫向壓縮模量提高了1.4%;縱橫剪切強(qiáng)度和縱橫剪切模量分別提高了5.0%和11.8%。2mm和3mm厚彎曲試樣的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均比未老化時(shí)有所提高,其中彎曲強(qiáng)度分別提高了2.9%和1.0%,彎曲模量分別提高了4.6%和9.4%。與未老化試樣相比,2mm和3mm厚試樣的層間剪切強(qiáng)度分別提高了12.7%和0.6%。

3結(jié)論 

       (1)T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在加速老化70d后,除縱向壓縮強(qiáng)度和橫向壓縮強(qiáng)度分別降低11.4%和16.6%外,老化沒有使其他力學(xué)性能明顯降低,有的反而有所提高。

(2)T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在加速老化70d后,除縱向和橫向壓縮強(qiáng)度有明顯降低外(降低幅度小于30%),其他力學(xué)性能沒有明顯降低,有的反而有所提高。

(3)對(duì)于兩種復(fù)合材料/金屬膠接結(jié)構(gòu),加速老化70d不會(huì)導(dǎo)致膠接界面產(chǎn)生損傷,但使膠粘劑剪切強(qiáng)度降低了大約13%。

(4)T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基及T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在老化前的性能基本相當(dāng),在濕熱老化70d后前者的力學(xué)性能保持率優(yōu)于后者的,因此用T700碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料替代T300碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料是可行的。