張承雙，沈 明，崔 霞，王 健

(西安航天復合材料研究所，陜西西安 710025)

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試驗與研究

濕熱老化對PBO/T700層間混雜復合材料力學性能的影響*

張承雙，沈 明，崔 霞，王 健

(西安航天復合材料研究所，陜西西安 710025)

分別利用材料萬能試驗機和DMA研究了濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料靜態(tài)力學性能和動態(tài)力學性能的影響。結果表明，在濕熱環(huán)境下加速老化不同時間后，PBO/T700層間混雜復合材料的拉伸強度和模量、彎曲強度和模量并未發(fā)生明顯變化；壓縮強度和層間剪切強度均出現了一定程度的下降，最大降幅分別為14.4%和9.5%；濕熱老化使得PBO/T700層間混雜復合材料的耐熱性有所提高，當老化時間為30d時，混雜復合材料的Tg從127.6℃升高到136.3℃，隨著老化時間進一步延長，混雜復合材料的Tg降低，E′和E″向低溫方向移動，表明混雜復合材料的耐熱性又開始下降。

PBO纖維，T700碳纖維，混雜復合材料，力學性能，濕熱老化

PBO纖維被譽為21世紀的超級纖維，它不僅具有優(yōu)異的力學性能和耐熱性能，同時具有良好的抗沖擊性能和透波性能，可以用作結構材料、耐熱材料、阻尼材料和隱身材料等，在航天、航空、宇航和兵器裝備等尖端技術領域具有廣闊的推廣應用前景[1-4]。然而，已有的研究表明，PBO纖維復合材料可能存在壓縮性能偏低和老化性能較差等問題，這在一定程度上限制了PBO纖維的工業(yè)應用范圍[5-8]。

本項目組選擇T700碳纖維作為混雜組分，采用干法纏繞成型工藝制備了PBO纖維與T700碳纖維層間混雜復合材料，以期提高PBO纖維復合材料的抗壓縮性能，并改善其耐老化性能，結果表明，PBO/T700層間混雜復合材料的軸壓承載性能遠高于PBO纖維復合材料[9-10]。在改善PBO纖維復合材料的老化性能方面，本文通過人工加速老化試驗方法研究了濕熱老化對PBO/T700層間混雜復合材料力學性能的影響，利用材料萬能試驗機研究了PBO/T700層間混雜復合材料拉伸、彎曲、壓縮和剪切等靜態(tài)力學性能隨濕熱老化時間的變化情況，采用DMA對濕熱老化不同時間后PBO/T700層間混雜復合材料的動態(tài)力學性能進行了分析。

1 實驗部分

1.1 原材料

PBO纖維：Zylon-HM，由日本東洋紡公司提供。碳纖維：T700-12K，由日本東麗公司提供。樹脂體系：GF-2環(huán)氧，本項目組自主開發(fā)，樹脂基體由中國藍星化工新材料有限公司無錫樹脂廠提供。原材料主要性能見表1。

表1 原材料主要性能

1.2 試樣制備

采用干法纏繞成型工藝制備PBO/T700層間混雜復合材料，纖維體積含量為60%±2%，混雜比為0.2(本文所定義的混雜比為PBO纖維與T700碳纖維混雜復合材料中T700碳纖維的體積分數)。分別制備PBO纖維預浸料和T700碳纖維預浸料，根據設計的鋪層參數將兩種預浸料分別纏繞到金屬芯模上，經固化、脫模后得到混雜復合材料單向板，利用水切割設備將混雜復合材單向板加工成一定規(guī)格的試樣。

1.3 濕熱老化試驗

分別將PBO/T700層間混雜復合材料拉伸、彎曲、壓縮、剪切和動態(tài)力學性能測試試樣放置于濕熱老化試驗箱中，在溫度為(60±2)℃、濕度為(93±3)%條件下分別放置1d、7d、30d和90d，將放置不同時間后的試樣取出進行力學性能測試。

1.4 性能測試與表征

分別根據GB/T 3354-2014、GB/T 3356-2014、GB/T 3856-2005、JC/T 773-2010標準，利用INSTRON 5500R型材料萬能試驗機對濕熱老化不同時間后PBO/T700層間混雜復合材料的拉伸、彎曲、壓縮和剪切性能進行測試，試樣尺寸分別為230mm×15mm×2mm、100mm×12.5mm×2mm、140mm×6mm×2mm和20mm×6mm×2mm，加載速度為2mm/min。

采用DMA 242 C型動態(tài)熱機械分析儀(DMA)對濕熱老化不同時間后PBO/T700層間混雜復合材料的動態(tài)力學性能進行分析，試樣尺寸為35mm×10mm×2mm，氮氣氣氛，頻率1.0Hz，升溫速率3℃/min。

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料拉伸強度和拉伸模量的影響見圖1。由圖可見，PBO/T700層間混雜復合材料的拉伸強度為2040MPa，經濕熱老化1d、7d、30d和90d后，拉伸強度分別為2050MPa、2080MPa、2105MPa和2050MPa。可見，混雜復合材料的拉伸強度在濕熱環(huán)境下加速老化不同時間后并未發(fā)生明顯變化。PBO/T700層間混雜復合材料的拉伸模量為126GPa，經濕熱老化90d后，拉伸模量變?yōu)?23GPa?？梢?，人工加速濕熱老化對PBO/T700層間混雜復合材料的拉伸模量影響較小。對比PBO纖維在濕熱環(huán)境下加速老化后出現的拉伸性能大幅下降現象[11]，上述結果表明，如果將PBO纖維與碳纖維復合制備成層間混雜復合材料，可能會有效地緩解PBO纖維拉伸性能在濕熱環(huán)境中的退化問題。

圖1 濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料拉伸強度和模量的影響

2.2 彎曲性能

濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料彎曲強度和彎曲模量的影響見圖2。由圖可見，PBO/T700層間混雜復合材料的彎曲強度為1090MPa，經濕熱老化1d、7d、30d和90d后，彎曲強度分別變?yōu)?180MPa、1130MPa、1180MPa和1045MPa?？梢姡祀s復合材料的彎曲強度在濕熱老化不同時間后并未發(fā)生明顯下降。PBO/T700層間混雜復合材料的彎曲模量為116GPa，經濕熱老化1d、7d、30d和90d后，彎曲模量分別變?yōu)?05GPa、102GPa、102GPa和119GPa?？梢?，混雜復合材料的彎曲模量在濕熱老化不同時間后未出現顯著下降。這些結果表明，人工加速濕熱老化對PBO/T700層間混雜復合材料的彎曲強度和彎曲模量影響較小。

圖2 濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料彎曲強度和模量的影響

2.3 壓縮性能

濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料壓縮強度的影響見圖3。由圖可見，PBO/T700層間混雜復合材料的壓縮強度為375MPa，經濕熱老化不同時間后，壓縮強度出現了一定程度的下降，最大降幅約為14.4%。這可能是由于濕熱環(huán)境中的水分子通過界面擴散作用滲透到混雜復合材料內部，使得材料體系中的缺陷增多，界面粘接性能下降，從而導致混雜復合材料的承載性能降低。

圖3 濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料壓縮 強度的影響

2.4 剪切性能

濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料層間剪切強度的影響見圖4。由圖可見，經濕熱老化不同時間后，PBO/T700層間混雜復合材料的層間剪切強度出現了一定程度的下降。當濕熱老化時間為30d時，PBO/T700層間混雜復合材料的層間剪切強度為30.4MPa，較加速老化前下降9.5%，這可能與混雜復合材料壓縮性能的下降原因一致。

圖4 濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料層間 剪切強度的影響

2.5 動態(tài)力學性能

濕熱老化不同時間后PBO/T700層間混雜復合材料損耗因子tanδ的變化情況見圖5，濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料玻璃化轉變溫度的影響見表2。從表中結果可以看出，PBO/T700層間混雜復合材料的玻璃化轉變溫度Tg為127.6℃，經濕熱老化1d、7d和30d后，復合材料的Tg分別增大為129.3℃、132℃和136.3℃，當濕熱老化時間繼續(xù)增加為90d時，Tg又下降為119.5℃。這可能是由于在濕熱老化的初始階段，PBO/T700層間混雜復合材料內部的環(huán)氧樹脂基體在溫度的作用下發(fā)生了后固化效應，使得樹脂體系交聯密度增加，與此同時，復合材料體系內部的熱應力得到了充分釋放，這些結果導致混雜復合材料的耐熱性有所提高。然而，隨著濕熱老化時間進一步延長，濕熱環(huán)境中的水分子通過擴散作用滲透到混雜復合材料內部，使得混雜復合材料體系中的缺陷不斷增多，最終導致材料的耐熱性能下降。這表明，PBO/T700層間混雜復合材料長期處于濕熱環(huán)境中，可能會造成材料耐熱性下降[12]。

圖5 濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料 損耗因子tanδ的影響

老化時間/d玻璃化轉變溫度Tg/℃tanδ01276045511293030871320045130136304519011950468

PBO/T700層間混雜復合材料的貯能模量E′和損耗模量E″隨濕熱老化時間的變化情況見圖6和圖7。由圖可見，經濕熱老化一定時間后，PBO/T700層間混雜復合材料的E′和E″分別向高溫方向移動，這表明混雜復合材料中樹脂基體發(fā)生α轉變的溫度逐漸升高，聚合物分子鏈段運動需要克服的內摩擦阻力增大，說明濕熱老化初期PBO/T700層間混雜復合材料的耐熱性有所提高。但是，當濕熱老化時間進一步增加為90d時，混雜復合材料的E′和E″又開始向低溫方向移動，說明混雜復合材料的耐熱性又開始下降，這與混雜復合材料Tg的變化過程一致。

圖6 濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料 貯能模量E′的影響

圖7 濕熱老化時間對PBO/T700層間混雜復合材料 損耗模量E″的影響

3 結論

(1)濕熱老化對PBO/T700層間混雜復合材料的拉伸性能和彎曲性能影響較小。

(2)濕熱老化導致PBO/T700層間混雜復合材料的壓縮性能和剪切性能下降，最大降幅分別為14.4%和9.5%。

(3)在濕熱老化的初始階段，PBO/T700層間混雜復合材料的耐熱性有所提高，當老化時間增加為90d時，混雜復合材料的Tg降低，E′和E″向低溫方向移動，表明混雜復合材料的耐熱性又開始下降。

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Hygrothermal Aging Effects on Mechanical Properties of PBO/T700 Hybrid Composites

ZHANG Cheng-shuang，SHEN Ming，CUI Xia，WANG Jian

(Xi’an Aerospace Composites Research Institute，Xi’an 710025，Shaanxi，China)

The hygrothermal aging effects on static and dynamic mechanical properties of PBO/T700 hybrid composites were studied in this paper by universal testing machine and dynamic mechanical analysis respectively. The results indicated that the tensile strength and modulus，flexural strength and modulus of PBO/T700 hybrid composites experience little change after hygrothermal aging. While the compressive strength and interlaminar shear strength of the hybrid composites declined with maximum drop of 14.4% and 9.5% respectively. The heat-resistance property of PBO/T700 hybrid composites increased to some extent after hygrothermal aging. The glass transition temperature(Tg) of the composites upgrade from 127.6℃ to 136.3℃ after hygrothermal aging for 30 days. However，theTgof the composites degraded，theE′ andE″ shift toward low temperature with aging time increasing，which means a decline of heat-resistance property of the composites.

PBO fiber，T700 carbon fiber，hybrid composites，mechanical properties，hygrothermal aging

國防科工局軍品配套科研項目(JPPT-125-GJGG-31-2)

張承雙，博士，高工，主要從事先進聚合物基復合材料成型工藝與應用研究；E-mail：cszhang83@163.com；Tel：13201708805

TQ 342.73