劉亞平，王榮華，王登霞，孫巖，李倩倩，李暉

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第53研究所，濟(jì)南 250031）

?

芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在七地區(qū)庫內(nèi)暴露的壽命預(yù)測研究

劉亞平，王榮華，王登霞，孫巖，李倩倩，李暉

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第53研究所，濟(jì)南 250031）

目的 預(yù)估不同地區(qū)芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)境貯存壽命，及120℃熱老化對七個地區(qū)的加速因子。方法 對芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRC）在7個地區(qū)的自然庫內(nèi)暴露樣品進(jìn)行研究，考察了其彎曲強(qiáng)度性能變化規(guī)律，對AFRC的庫內(nèi)貯存壽命進(jìn)行一元線性回歸分析。結(jié)果 得到了七個地區(qū)的線性回歸方程，計算出其彎曲性能降到50%時的貯存壽命，得到了120℃熱老化對七個地區(qū)的加速因子。結(jié)論 以50%彎曲強(qiáng)度性能失效為例，自然庫內(nèi)暴露下芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壽命依次為拉薩＞敦煌＞廈門＞西雙版納＞萬寧＞濟(jì)南＞漠河，加速因子大小順序為漠河＞濟(jì)南＞萬寧＞廈門＞西雙版納＞敦煌＞拉薩。

芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；庫內(nèi)暴露；彎曲強(qiáng)度；壽命；加速因子

目前，芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRC）由于具有高強(qiáng)度、高模量、耐酸堿、耐大多數(shù)有機(jī)溶劑腐蝕等優(yōu)異性能，已在多個方面得到應(yīng)用。然而AFRC在實際使用時要受到許多環(huán)境因素的影響，發(fā)生降解、裂化，尤其是在實際的貯存過程中，受到熱的影響最大。如何預(yù)測AFRC的貯存壽命，成為新時期芳綸研究的重點(diǎn)。

筆者通過對芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在不同地區(qū)的自然庫內(nèi)暴露試驗和實驗室熱空氣老化的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，建立材料性能和老化時間的線性回歸方程，通過方程對芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的貯存壽命進(jìn)行預(yù)測，研究自然庫內(nèi)貯存壽命與熱空氣老化壽命之間的加速因子。

1　實驗

實驗材料為自制AFRC，Kevlar芳綸纖維，環(huán)氧改性溴化乙烯基酯樹脂。彎曲強(qiáng)度按GB/T 1447 —2005測試，樣品尺寸為60 mm×15 mm×3.2 mm，每批樣品數(shù)為5根。選取庫內(nèi)暴露的樣品進(jìn)行壽命預(yù)測研究。

庫內(nèi)暴露試驗中，選取西雙版納、萬寧、拉薩、漠河、濟(jì)南、廈門、敦煌等7個地區(qū)的試驗樣品進(jìn)行研究。庫內(nèi)暴露試驗取樣周期為：1，2，3，4，5，6，7，8年。120℃熱老化取樣周期為：250，500，750，1000，1250，1500，1750，2000 h。自然老化試驗按WJ 2156—1993《兵器產(chǎn)品自然環(huán)境試驗方法貯存試驗》進(jìn)行，樣品裸放于各個試驗站的貯存庫內(nèi)。7個試驗地區(qū)的氣候基本情況見表1。

表1　7個試驗地區(qū)氣候基本情況Table 1　Basic climate information of seven typical climate regions

2　結(jié)果與討論

對AFRC采用回歸分析的方法來預(yù)測材料的壽命。根據(jù)試驗結(jié)果，分析AFRC彎曲強(qiáng)度性能的試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)符合一元線性回歸方程，設(shè)線性模型方程為：y=a+bx。具體方法是以某一地區(qū)的彎曲強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行一元線性回歸方程分析計算，得到回歸方程后，從而進(jìn)行貯存壽命預(yù)測研究。

2.1AFRC彎曲強(qiáng)度保留率

AFRC在7個地區(qū)庫內(nèi)暴露試驗中和120℃熱老化得到的彎曲強(qiáng)度保留率如圖1所示。

圖2　APRC120℃彎曲強(qiáng)度保留率變化Fig.2 Bending strength retention of APRC at 120℃

2.2AFRC線性回歸方程的計算

以AFRC在西雙版納地區(qū)庫內(nèi)暴露線性回歸方程的計算和T檢驗為例進(jìn)行說明。

這里n=9，為求線性回歸方程，對所需要的計算列于表2。

表2　相關(guān)數(shù)據(jù)計算結(jié)果Table 2 Calculate result of the data

由表2可得：

可以求得：

因此，回歸直線方程為y=97.69-3.53x。

下面用T檢驗法檢驗上面得到的回歸效果是否顯著。

查t分布表，得：n=9，α/2=0.05，t0.05（7）=1.8946＜17.48，說明回歸效果很顯著。

彎曲強(qiáng)度保留率到50%時，所需要的時間為：x=13.51 a。

同樣的方法得到其他6個地區(qū)的線性回歸方程，見表3。

表3　七地區(qū)及120℃熱老化線性回歸方程Table 3　Regression equation of the seven regions and 120℃

2.3AFRC壽命預(yù)測

通過表3，計算得到AFRC在西雙版納，漠河，濟(jì)南，廈門，萬寧，拉薩，敦煌等7個地區(qū)的庫內(nèi)暴露試驗和120℃熱老化試驗中，彎曲保留率下降到50%時，所要的實際時間分別為13.51，15.93，15.50，13.43，14.14，12.81，13.07，1.09年。

由此可知，AFRC庫內(nèi)暴露失效最快的是拉薩地區(qū)，失效最慢的是漠河地區(qū)，失效快慢順序依次為：拉薩＞敦煌＞廈門＞西雙版納＞萬寧＞濟(jì)南＞漠河。這主要是由于庫內(nèi)暴露樣品受溫度的影響最大，溫度越高相對失效越快，反之越慢；溫度相差不大的情況下，還會受大濕度的影響。

2.4AFRC自然老化與熱老化加速因子的確定

通過各地區(qū)庫內(nèi)暴露試驗中AFRC彎曲保留率下降到50%時所需的實際時間，可以計算120℃熱空氣老化2000 h對西雙版納，漠河，濟(jì)南，廈門，萬寧，拉薩，敦煌等7個自然老化庫內(nèi)貯存地區(qū)的加速因子分別為12.4，14.6，14.2，12.3，13.0，11.8，12.0。

可以看出，各地庫內(nèi)貯存的加速因子大小順序為：漠河＞濟(jì)南＞萬寧＞廈門＞西雙版納＞敦煌＞拉薩。加速因子均大于12，說明120℃熱空氣1 h老化相當(dāng)于庫內(nèi)貯存12 h多，可以為相關(guān)的復(fù)合材料樣品貯存提供數(shù)據(jù)支持。

3　結(jié)論

1）彎曲強(qiáng)度性能是芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在老化過程中性能變化最為敏感的性能指標(biāo)。

2）在對自然庫內(nèi)暴露下芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度性能壽命預(yù)測中，貯存壽命和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件密切相關(guān)，失效快慢順序依次為：拉薩＞敦煌＞廈門＞西雙版納＞萬寧＞濟(jì)南＞漠河。以50%彎曲強(qiáng)度性能失效為例，拉薩庫內(nèi)需要12.81年，而處于高寒地區(qū)的漠河則需要15.93年，其他5個地區(qū)介于二者之間。

3）芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料庫內(nèi)貯存過程中彎曲強(qiáng)度與老化時間符合一元線性回歸方程，在90%的置信區(qū)間內(nèi)回歸效果顯著。

4）芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料七地庫內(nèi)貯存的加速因子大小順序為：漠河＞濟(jì)南＞萬寧＞廈門＞西雙版納＞敦煌＞拉薩，加速因子均大于12。

［1］張留成.高分子材料導(dǎo)論［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993：18—19.

ZHANG Liu-cheng.Introduction to Polymer Materials ［M］.Beijing：Chemical Industry Press，1993：18—19.

［2］張德慶.高分子材料科學(xué)導(dǎo)論［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999：33—35.

ZHANGDe-qing.PolymerMaterialsScience Introduction［M］.Harbin：Harbin Institute of Technology Press，1999：33—35.

［3］RAY B C.Temperature Effect during Humid Ageing on Interfaces of Glass and Carbon Fibers Reinforced Epoxy Composites［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2006，298（1）：111—117.

［4］譚曉倩，史鳴軍.高分子材料的老化性能研究［J］.山西建筑，2006，32（1）：179—180.

TAN Xiao-qian，SHI Ming-jun.Aging Research of Polymer Materials［J］.Shanxi Architecture，2006，32（1）：179—180.

［5］殷宗蓮，楊萬均，肖敏，等.高低溫條件下碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的老化特征分析［J］.裝備環(huán)境工程，2015，12（3）：106—110.

YIN Zong-lian，YANG Wang-jun，XIAO Min，et al. AgingCharacteristicsAnalysesofCarbonFiber ReinforcedNylonCompositesinHighandLow TemperatureConditions［J］.EquipmentEnvironmental Engineering，2015，12（3）：106—110.

［6］溫變英，李迎春，張學(xué)東.尼龍/碳纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］.新型碳材料，1997，12（3）：17—21.

WEN Bian-ying，LI Ying-chun，ZHANG Xue-dong. Research Advancement of The Carbon Fibers Reinforced Nylon［J］.New Carbon Materials，1997，12（3）：17—21.

［7］張淑芳，冀克儉，張銀生.幾種復(fù)合材料的斷裂行為研究［J］.工程塑料應(yīng)用，1996，24（1）：38—41.

ZHANG Shu-fang，Ji Ke-jian，ZHANG Ying-sheng. StudyonTheMicro-fractureBehaviorofSeveral Composites［J］.Engineering Plastics Application，1997，12（3）：17—21.

［8］王榮華，王小燕，李暉，等.玻纖增強(qiáng)尼龍66人工加速光老化性能的研究［J］.化工新型材料，2015，43（4）：129—131.

WANG Rong-hua，WANG Xiao-yang，LI Hui，et al.Study on the Property of Glass Fiber Reinforced Nylon 66 Composite in Accelerated Photo-aging［J］.New Chemical Materials，2015，43（4）：129—131.

［9］KUMAR B G，SINGH R P，NAKAMURA T.Degration ofCarbonFiber-reinforcedEpoxyCompositesby Ultraviolet Radiation and Condensation［J］.Journal of Composites Materials，2002，36（24）：2713—2733.

［10］ LEE B L.Effects of Moisture and Thermal Cycling on In-plane Shear Properties of Graphite Fibre-reinforced Cyanate Ester Resin Composites［J］.Composites Part A：AppliedScienceandManufacturing，1996，27（11）：1015—1022.

［11］ SHIVA E，F(xiàn)ATHOLLAH T B，F(xiàn)ARID T.Long-Term HygrothermalResponseofPerforatedGFRP Plates with/without Application of Constant External Loading［J］. Polymer Composites，2012，33（4）：467—475.

［12］ ABDEL-MAGID B，ZIAEE S，GASS K，et al.The Combined Effects of Load，Moisture and Temperature on thePropertiesofE-glass/EpoxyComposites［J］. Composite Structures，2005，71（3/4）：320—326.

［13］ NETRAVALI A N，F(xiàn)ORNES R E，GILBERT R D.Effects ofWaterSorptionatDifferentTemperatureson Permanent Changes in an Epoxy［J］.Joural of Applied Polymer Science，1985，30（4）：1573—1578.

［14］ GOERTZEN W K，KESSLER M R.Dynamic Mechanical Analysis of Carbon/Epoxy Composites for Structural Pipeline Repair［J］.Composites Part B：engineering，2007，38（1）：1—9.

［15］ NISHAR H，SREEKUMAR P A，BEJOY F.Morphology，Dynamic Mechanical and Thermal Studies on Poly （Styrene-co-Acrylonitrile）Modified Epoxy Resin/Glass Fibre Composites［J］.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2007，38（12）：2422—2432.

Prediction of Storage Life of Aramid Fiber Resin Composites Exposed in Storerooms of Seven Areas

LIU Ya-ping，WANG Rong-hua，WANG Deng-xia，SUN Yan，LI Qian-qian，LI Hui
（NORINCO GROUP 53rd Institute，Jinan 250031，China）

Objective To predict the storage life of aramid fiber resin composites in the environments of different areas and the acceleration factors of seven areas affected by 120℃thermal aging.Methods Samples of aramid fiber resin composites （AFRC）exposed in the natural environment of the storerooms in seven areas were researched.The law of changes in its bending strength was investigated.Unitary linear recursive analysis on the storage life of AFRC in the storeroom was carried out. Results The equation of linear regression in seven areas was obtained.The storage life was calculated when its bending property was reduced to 50%.The acceleration factors of seven areas affected by 120℃thermal aging was acquired.Conclusion Taking the failure of 50%bending strength as an example，the storage lives of aramid fiber resin composites exposed in natural environment of storerooms from large to small are respectively Lhasa，Dunhuang，Xiamen，Xishuangbanna，Wanning，Jinan and Mohe.The acceleration factors from large to small are respectively Mohe，Jinan，Wanning，Xiamen，Xishuangbanna，Dunhuang and Lhasa.

aramid fiber resin composites；storeroom exposure；bending strength；life prediction；acceleration factor

2016-03-03；Revised：2016-04-05

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.028

TJ04

A

1672-9242（2016）04-0176-04

2016-03-03；

2016-04-05

劉亞平（1977—），男，碩士，副研究員，主要研究領(lǐng)域為材料環(huán)境試驗與評價技術(shù)研究。

Biography：LIU Ya-ping(1977—),Male,Master,Associate Researcher,Research focus:material environmental test and evaluation.