姚佳偉 賈紫嬌 牛一凡

(中國(guó)民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院,天津 300300)

非連續(xù)濕熱作用對(duì)T700/TR1219B復(fù)合材料宏細(xì)觀性能的影響

姚佳偉 賈紫嬌 牛一凡

(中國(guó)民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院,天津 300300)

文摘為研究非連續(xù)濕熱作用對(duì)碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料性能的影響，對(duì)T700/TR1219B試樣進(jìn)行了吸濕-脫濕試驗(yàn)，測(cè)試了其拉神性能，并采用SEM觀察試樣側(cè)面；通過(guò)原子力顯微鏡的峰值力納米力學(xué)成像技術(shù)(PF-QNM)對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行納米壓痕測(cè)試。結(jié)果表明：吸濕率從0變化到1.2%，T700/TR1219B復(fù)合材料的一次及二次吸濕行為均滿足Fick定律；經(jīng)吸濕-脫濕-再吸濕，試樣的拉伸強(qiáng)度、彈性模量及樹(shù)脂的硬度及彈性模量均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)。

T700/TR1219B復(fù)合材料，非連續(xù)濕熱，吸濕-脫濕，峰值力納米力學(xué)成像技術(shù)，硬度，彈性模量

0 引言

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能，在民用航空領(lǐng)域已廣泛使用[1-3]，其性能的穩(wěn)定性直接影響飛機(jī)飛行安全。在飛機(jī)實(shí)際服役的過(guò)程中，復(fù)合材料構(gòu)件會(huì)不可避免地暴露在各種極端環(huán)境中，例如，高溫、高濕、紫外、熱氧等[4]。研究已證明濕熱環(huán)境會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料性能降低:A.ZAFAR等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)吸濕后的樣品與自然干態(tài)相比，彈性模量與拉伸強(qiáng)度均下降，且隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，下降的程度越顯著；高禹等[6]的研究表明T700/3234復(fù)合材料在吸濕初期彎曲及層剪強(qiáng)度下降明顯，隨后下降速率變緩，并出現(xiàn)小幅上升，而后繼續(xù)大幅下降,通過(guò)斷口形貌分析發(fā)現(xiàn)老化后材料界面出現(xiàn)了一定程度的脫粘;MAROUANI等[7]的研究表明碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料在濕熱處理后拉伸強(qiáng)度和彈性模量均出現(xiàn)下降，失效時(shí)的應(yīng)變則表現(xiàn)出了一定的增長(zhǎng)，主要與樹(shù)脂的塑化有關(guān)。封彤波等[8]通過(guò)對(duì)碳纖維/雙馬樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行循環(huán)吸濕-脫濕實(shí)驗(yàn)，吸濕造成的纖維與基體的脫粘在脫濕后不能得到恢復(fù)，是一種不可逆破壞。

目前對(duì)于碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料濕熱性能的研究，大多采用連續(xù)濕熱作用的方式。但在實(shí)際的服役過(guò)程中，材料非連續(xù)地處于濕熱環(huán)境中，因而對(duì)于非連續(xù)濕熱環(huán)境下材料性能的深入研究，更具實(shí)際意義；且目前的研究缺乏納米尺度的力學(xué)性能研究。本文通過(guò)對(duì)T700/TR1219B復(fù)合材料進(jìn)行吸濕-脫濕實(shí)驗(yàn)，研究了該材料的吸濕-脫濕行為，結(jié)合拉伸性能測(cè)試，SEM側(cè)面微觀形貌及納米壓痕測(cè)試結(jié)果，研究了非連續(xù)濕熱對(duì)該材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1試樣

纖維選用由日本東麗Toray公司提供的T700級(jí)碳纖維，拉伸強(qiáng)度可達(dá)4.9 MPa。樹(shù)脂由國(guó)家體育用品工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)，為環(huán)氧體系，牌號(hào)TR1219B。預(yù)浸料的纖維體積分?jǐn)?shù)約為60vol%，單層厚度約為0.125 mm。

將T700/TR1219B預(yù)浸料按照[0]16鋪層方式進(jìn)行鋪設(shè)，采取熱壓成型工藝，在150℃下固化60 min，得到復(fù)合材料層合板，切割成200 mm×15 mm×2.1 mm的拉伸試樣。

1.2方法

1.2.1吸濕-脫濕實(shí)驗(yàn)

將拉伸試樣以水浸方式，80℃進(jìn)行吸濕，過(guò)程中，定期取出試樣稱重后繼續(xù)吸濕，直至吸濕率達(dá)到1.2%取出，此過(guò)程記為一次吸濕；取出的試樣置于80℃烘箱進(jìn)行脫濕，定期取出稱重，直至質(zhì)量不再變化取出，此過(guò)程記為一次脫濕；取出的試樣繼續(xù)浸入水中，溫度80℃進(jìn)行二次吸濕，直至吸濕率再次達(dá)到1.2%停止實(shí)驗(yàn)，此過(guò)程記為二次吸濕。

1.2.2拉伸性能測(cè)試

按照ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)，使用Instron 5982萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)未處理，一次吸濕，一次脫濕及二次吸濕試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，獲得強(qiáng)度及模量的變化趨勢(shì)。

1.2.3微觀形貌觀察

利用Hitachi-s-3400N掃描電子顯微鏡觀察試樣側(cè)面。

1.2.4表面壓痕測(cè)試

峰值力納米力學(xué)成像技術(shù)(PF-QNE)分辨率高，可以提供材料硬度及彈性模量的信息[9-11]。通過(guò)Dimension Icon型原子力顯微鏡的峰值力納米力學(xué)成像技術(shù)(PF-QNE)，對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行納米壓痕測(cè)試，獲得樹(shù)脂硬度及彈性模量的變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果及分析

2.1吸濕-脫濕行為

水在材料中的擴(kuò)散大多符合Fick第二定律，根據(jù)Fick第二定律，在吸濕初期，吸濕率Mt隨t1/2呈線性變化，t為吸濕時(shí)間[12]。吸濕率Mt的定義如下：

(1)

式中，mt為吸濕t時(shí)刻后試樣質(zhì)量，mi為試樣初始質(zhì)量。

圖1為一次、二次吸濕實(shí)驗(yàn)吸濕率隨t1/2的變化曲線，可以看出，吸濕率從0～1.2%，吸濕率均隨時(shí)間平方根呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，滿足Fick定律；二次吸濕速率略小于一次吸濕速率，這可能是由于在一次吸濕-脫濕過(guò)程中，樹(shù)脂在溫度作用下發(fā)生了后固化反應(yīng)，分子鏈交聯(lián)效果增強(qiáng)，減慢了水分的擴(kuò)散速率。由于吸濕初期主要是對(duì)水分的物理吸附，后固化作用對(duì)水分?jǐn)U散的阻礙作用較為明顯。

2.2拉伸性能分析

表1為吸濕-脫濕過(guò)程中試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，經(jīng)非連續(xù)濕熱處理后試樣的拉伸強(qiáng)度及彈性模量均出現(xiàn)小幅增長(zhǎng)：一次吸濕試樣較未處理試樣分別增長(zhǎng)了0.40%和1.12%，一次脫濕試樣分別增長(zhǎng)了14.60%和6.02%，這可能是由于樹(shù)脂的后固化反應(yīng)；二次吸濕試樣與一次吸濕試樣拉伸強(qiáng)度與彈性模量數(shù)值相似，但二次吸濕試樣較一次脫濕試樣分別下降了12.17%和4.62%，二次吸濕導(dǎo)致了該材料性能的降低，可以看出，雖然后固化反應(yīng)使一次吸濕及一次脫濕試樣的力學(xué)性能增大，但水分對(duì)材料的破壞作用一直在累積，二次吸濕后性能出現(xiàn)了較大幅度的下降。

表1 拉伸強(qiáng)度與彈性模量測(cè)試結(jié)果

2.3試樣側(cè)面微觀形貌分析

試樣的微觀形貌如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)，纖維與樹(shù)脂的粘結(jié)狀態(tài)較好，只有在少數(shù)部分有裸露的纖維[圖2(a)]；雖然在一些區(qū)域樹(shù)脂與纖維的粘結(jié)狀態(tài)仍然較好，但在一些纖維的表面樹(shù)脂出現(xiàn)了一定程度的脫落，暴露出了裸露的纖維[圖2(b)]；纖維與基體之間出現(xiàn)了沿界面方向擴(kuò)展的裂紋，表明雖然試樣表現(xiàn)出宏觀力學(xué)性能的增加，但是水分仍然造成了材料內(nèi)部的損傷[圖2(c)]。

2.3壓痕測(cè)試結(jié)果分析

表2為吸濕-脫濕過(guò)程中硬度及彈性模量測(cè)試結(jié)果。

表2 硬度及樹(shù)脂彈性模量測(cè)試結(jié)果

硬度與彈性模量的變化趨勢(shì)與試樣拉伸強(qiáng)度與彈性模量的趨勢(shì)相似：一次吸濕試樣與未處理試樣相比，硬度與彈性模量增長(zhǎng)顯著，分別增加25.6%和47.0%；脫濕后繼續(xù)增大，分別增加42.5%和76.4%；二次吸濕試樣較一次脫濕試樣數(shù)值降低，分別降低2.4%和17.1%，且與一次吸濕試樣數(shù)值相近。

納米壓痕測(cè)試結(jié)果說(shuō)明了在吸濕-脫濕過(guò)程中樹(shù)脂本身的變化：吸濕初期水分對(duì)樹(shù)脂造成的不可逆破壞較少，樹(shù)脂的后固化效應(yīng)大于水分的破壞作用，導(dǎo)致樹(shù)脂的性能提升；脫濕后，后固化效應(yīng)繼續(xù)增強(qiáng)，且水分導(dǎo)致的可逆破壞得到恢復(fù)，使得樹(shù)脂的性能進(jìn)一步增強(qiáng)；再次吸濕后，樹(shù)脂已固化到較穩(wěn)定狀態(tài)，水分的破壞作用開(kāi)始體現(xiàn)。

濕熱環(huán)境對(duì)復(fù)合材料性能的影響主要有兩個(gè)方面：一方面是對(duì)組成復(fù)合材料的組分材料本身的影響，另一方面是對(duì)纖維/樹(shù)脂界面的影響[13-14]。結(jié)合吸濕-脫濕行為，拉伸測(cè)試、微觀形貌及納米壓痕測(cè)試結(jié)果，可以看出，一次吸濕及一次脫濕后樹(shù)脂硬度及彈性模量的增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于宏觀力學(xué)性能的增幅，且微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了裂紋，說(shuō)明：后固化使樹(shù)脂本身的性能顯著增強(qiáng)，但水分破壞了界面，降低了纖維與樹(shù)脂的粘結(jié)，導(dǎo)致試樣整體的性能增強(qiáng)較少；二次吸濕后各性能均出現(xiàn)降低，說(shuō)明水分對(duì)材料的破壞作用開(kāi)始體現(xiàn)，同時(shí)繼續(xù)破壞界面。

3 結(jié)論

(1)吸濕率從0～1.2%T700/TR1219B的吸濕行為滿足Fick定律；二次吸濕的速率略小于一次吸濕速率，這可能是由于樹(shù)脂在溫度作用下發(fā)生了后固化反應(yīng)；

(2)水分使纖維/樹(shù)脂界面的粘結(jié)遭到破壞，出現(xiàn)了脫粘與裂紋；

(3)試樣的拉伸強(qiáng)度和彈性模量及樹(shù)脂的硬度及彈性模量均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，由于后固化作用使一次吸濕及一次脫濕后組分材料本身的性能增強(qiáng)，但水分的破壞作用一直在累積，二次吸濕后性能出現(xiàn)了較大幅度的下降。

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Effect of Discontinuous Hygrothermal on Macroscopic and Microscopic Properties of T700/TR1219B Composites

YAO Jiawei JIA Zijiao NIU Yifan

(Sino-European Institute of Aviation Engineering，Civil Aviation University of China, Tianjin 300300)

In order to study the effect of discontinuous hygrothermal on properties of T700/TR1219B composite, the specimens were treated with discontinuous hygrothermal treatment. The tensile test was carried out and SEM was used to observe the lateral morphology. The nano-indentation test was conducted by peak force quantitative nano-mechanics technique (PF-QNM) of atomic force microscope (AFM) to analysis the discontinuous hygrothermal effect on properties of resin. The results show that when the rate of moisture absorption varies from 0% to 1.2%, the first time and the second time moisture absorption of T700/TR1219B composite follow the Fick law. Tensile strength and elastic modulus of specimens and hardness and elastic modulus of resin increase firstly and then decrease.

T700/TR1219B composite,Discontinuous hygrothermal,Moisture absorption and desorption, PF-QNE,Hardness,Elastic modulus

TB332

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.05.004

2017-02-27

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(3122015Z004)

姚佳偉,1988年出生，碩士，主要研究方向?yàn)閺?fù)合材料性能。E-mail：jwyao@cauc.edu.cn