王夏涵，楊勝春，弓云昭

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 材料力學(xué)性能測(cè)試與表征研究室，陜西 西安 710065)

1 引 言

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在使用中會(huì)遇到各種環(huán)境，如溫度、濕度、陽(yáng)光、鹽霧及噪聲等。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的部件容易受到內(nèi)部的燃料、液壓油、潤(rùn)滑油等化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，這可能引起復(fù)合材料的退化和變質(zhì)[1]。復(fù)合材料受腐蝕的程度通常取決于材料自身的性能、環(huán)境條件和在環(huán)境中所處的時(shí)間[2]。FAA咨詢通報(bào)AC 20-107B中提出，復(fù)合材料在制定環(huán)境設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時(shí)，要考慮結(jié)構(gòu)曝露環(huán)境最嚴(yán)酷的情況，除了濕熱環(huán)境外，還需考慮化學(xué)環(huán)境，包括乙二醇、液壓油、燃油等對(duì)復(fù)合材料的侵蝕引起材料結(jié)構(gòu)的退化[3]。CMH-17G在材料鑒定和確定材料的設(shè)計(jì)許用值時(shí)，對(duì)復(fù)合材料的液體敏感性也做出了明確的要求[4]。

國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)復(fù)合材料在航空飛行器中耐介質(zhì)能力進(jìn)行過(guò)研究。張婷[5]利用紅外光譜分析、掃描和測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在酸堿侵蝕時(shí)，復(fù)合材料中的樹(shù)脂基體除了水解反應(yīng)外，還發(fā)生了其他一些化學(xué)變化，導(dǎo)致玻璃纖維與樹(shù)脂基體間的粘結(jié)力明顯變差。劉志等[6]研究了玻璃纖維/聚氨酯復(fù)合材料在酸、堿、鹽溶液中的浸泡時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降，下降幅度依次為堿>酸>鹽。F A Ramirez[7]對(duì)比研究了T-700碳纖維和E-玻璃纖維在海水環(huán)境中的性能，發(fā)現(xiàn)碳纖維的耐海水性能較優(yōu)，玻璃纖維在60℃海水中浸泡2d后，強(qiáng)度下降了50%。

本文針對(duì)T300級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空飛行器中可能遇到發(fā)動(dòng)機(jī)燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油、液壓油和溶劑等4種介質(zhì)的侵蝕而引起其力學(xué)性能的變化進(jìn)行研究，獲得了一些有意義的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

2 試樣和方法

選用發(fā)動(dòng)機(jī)燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油、液壓油和溶劑4種介質(zhì)對(duì)T300級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料液體敏感性進(jìn)行研究。靜力性能測(cè)試前將試驗(yàn)件在4種介質(zhì)中浸泡，浸泡條件為室溫環(huán)境下浸泡500h，之后進(jìn)行靜力性能測(cè)試，測(cè)試環(huán)境為室溫環(huán)境和280℃高溫環(huán)境。

本文選取材料層間力學(xué)性能、開(kāi)孔壓縮性能和縱橫剪切性能來(lái)研究材料的液體敏感性。層間力學(xué)性能對(duì)部件的使用有很大影響，使用短梁強(qiáng)度來(lái)表征材料的層間力學(xué)性能。短梁強(qiáng)度試驗(yàn)按照ASTM D 2344《聚合物基復(fù)合材料及其層壓板短梁剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，試驗(yàn)在Instron ±10kN的試驗(yàn)機(jī)上完成。調(diào)整試驗(yàn)夾具支座間的跨距，使得跨距與厚度之比為4，其精度為±0.3mm，支座半徑為1.5mm，加載頭的半徑為3mm。以1.0mm/min的加載速率對(duì)試樣施加壓縮載荷，如圖1所示，當(dāng)載荷下降到最大載荷的30%，停止試驗(yàn)。

圖1 短梁強(qiáng)度試驗(yàn)狀態(tài)

開(kāi)孔壓縮試驗(yàn)按照ASTM D 6484《聚合物基復(fù)合材料層壓板開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)件安裝于開(kāi)孔壓縮試驗(yàn)夾具中，再將試驗(yàn)夾具放置于試驗(yàn)機(jī)的壓縮平臺(tái)之間，以2mm/min的加載速率連續(xù)加載，直到達(dá)到最大載荷，并且載荷從最大載荷下降30%為止，此時(shí)停止試驗(yàn)，如圖2所示。進(jìn)一步設(shè)立試驗(yàn)探究浸泡介質(zhì)對(duì)縱橫剪切性能的影響，試驗(yàn)采用ASTM D3518《采用±45°層壓板拉伸試驗(yàn)測(cè)量聚合物基復(fù)合材料面內(nèi)剪切響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)在Instron ±100kN試驗(yàn)機(jī)上完成。將試樣對(duì)中夾持于試驗(yàn)機(jī)的夾塊內(nèi)，試樣的縱軸與試驗(yàn)載荷方向一致。以2.0mm/min的加載速率對(duì)試樣施加拉伸載荷，直至試樣破壞。

圖2 開(kāi)孔壓縮試驗(yàn)狀態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同介質(zhì)對(duì)層間力學(xué)性能的影響

各種濕熱試驗(yàn)環(huán)境條件下短梁強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)圖3，可以看到，短梁強(qiáng)度隨試驗(yàn)環(huán)境溫度的提高而降低，且呈線性分布降低。其中，280℃干態(tài)環(huán)境條件下短梁強(qiáng)度比室溫干態(tài)環(huán)境條件下的短梁強(qiáng)度降低了62.2%，280℃濕態(tài)環(huán)境條件下短梁強(qiáng)度比室溫干態(tài)環(huán)境條件下短梁強(qiáng)度降低了79.4%。分別在100℃和200℃的同等溫度下，濕態(tài)的試件層間力學(xué)性能比干態(tài)試件要低10%左右。而在280℃溫度下，濕態(tài)試件層間力學(xué)性能比干態(tài)試件要低44%，僅為常溫干態(tài)的20.6%。這說(shuō)明，T300級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料的層間剪切性能對(duì)高溫濕熱環(huán)境非常敏感。

圖3 不同濕熱環(huán)境條件下短梁強(qiáng)度對(duì)比

低溫干態(tài)、室溫干態(tài)、高溫干態(tài)試驗(yàn)件的破壞模式為層間剪切破壞，高溫濕態(tài)試驗(yàn)件的破壞模式為非彈性變形破壞，破壞模式如圖4所示。

(a)層間剪切

(b)非彈性變形圖4 濕熱環(huán)境下短梁強(qiáng)度破壞模式

表1為層間剪切試驗(yàn)件在不同浸泡介質(zhì)中經(jīng)過(guò)500h浸泡后的質(zhì)量變化，可以看出，T300級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料對(duì)溶劑的吸附性更強(qiáng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的吸收量最少。

表1 500h浸泡后試件的質(zhì)量變化

圖5為不同浸泡介質(zhì)對(duì)室溫環(huán)境短梁強(qiáng)度的影響。從圖中可以看到，經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油、液壓油和溶劑等介質(zhì)的浸泡(500h)后，室溫干態(tài)環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油浸泡的試件短梁強(qiáng)度比其他介質(zhì)浸泡的試件強(qiáng)度要低12.7%。280℃環(huán)境條件下溶劑浸泡的試件短梁強(qiáng)度比其他介質(zhì)浸泡的試件強(qiáng)度要低26.4%。所有280℃環(huán)境條件下的短梁強(qiáng)度比室溫環(huán)境下的強(qiáng)度平均降低69%～78%。

圖5 不同浸泡介質(zhì)對(duì)短梁強(qiáng)度的影響

從試件的破壞模式(如圖6所示)可以看到，室溫環(huán)境的破壞模式均為層間剪切破壞，而280℃環(huán)境的破壞模式均為非彈性變形破壞，這主要是由于試件在280℃環(huán)境下樹(shù)脂軟化，這也可以從載荷曲線上看到(見(jiàn)圖7)，試驗(yàn)件在加載過(guò)程中沒(méi)有明顯的載荷降，但試件已非彈性變形。

(a)室溫環(huán)境下的破壞模式

(b)280℃環(huán)境下的破壞模式圖6 介質(zhì)浸泡后試件短梁強(qiáng)度破壞模式

圖7 上壓頭位移-載荷曲線

與濕熱譜下的層間剪切性能相比，常溫環(huán)境下，T300級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料對(duì)腐蝕性流體的敏感性并不高；而在高溫環(huán)境下，環(huán)境介質(zhì)的腐蝕對(duì)材料層間性能有明顯的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油和液壓油影響效果相近，相對(duì)未浸泡的試驗(yàn)件可降低約30%，溶劑的影響最大，可降低約45%。

3.2 不同介質(zhì)對(duì)開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度的影響

圖8為不同浸泡介質(zhì)對(duì)開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度的影響。從圖中可以看到，試驗(yàn)件經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油、液壓油和溶劑等介質(zhì)的浸泡后，室溫干態(tài)環(huán)境下開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度相近，并且與未浸泡的試件開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度大致相當(dāng)，這表明室溫環(huán)境下，T300級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油、潤(rùn)滑油、液壓油和溶劑等腐蝕性流體并不敏感。280℃環(huán)境條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油和溶劑浸泡的試件強(qiáng)度略低于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油和液壓油。此外，所有在280℃環(huán)境條件下經(jīng)過(guò)介質(zhì)浸泡的試件開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度都比未浸泡試驗(yàn)件的強(qiáng)度平均降低25%～38%，但高于濕態(tài)的試驗(yàn)件強(qiáng)度。在所有介質(zhì)里，溶劑對(duì)T300級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料的開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度影響最為顯著。

圖8 不同浸泡介質(zhì)對(duì)開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度的影響

圖9為介質(zhì)浸泡后開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度試件破壞模式，可以看出，經(jīng)過(guò)介質(zhì)浸泡的試驗(yàn)件在開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)中沒(méi)有改變其破壞模式，破壞方式均為寬度方向穿過(guò)孔中心。

(a)室溫環(huán)境下的破壞模式

(b)280℃環(huán)境下的破壞模式圖9 介質(zhì)浸泡后開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度試件破壞模式

3.3 不同介質(zhì)對(duì)縱橫剪切強(qiáng)度的影響

圖10為不同浸泡介質(zhì)對(duì)室溫環(huán)境縱橫剪切強(qiáng)度的影響。從圖中可以看到，試驗(yàn)件經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油、液壓油和溶劑等介質(zhì)的浸泡(500h)后，室溫干態(tài)環(huán)境下T300級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度和偏移強(qiáng)度對(duì)這4種介質(zhì)的敏感性并不高，液壓油的浸泡幾乎沒(méi)有引起變化。但是溶劑的侵蝕引起其0.2%偏移強(qiáng)度降低比較明顯，達(dá)到了12.3%。

圖10 不同浸泡介質(zhì)對(duì)室溫環(huán)境縱橫剪切強(qiáng)度的影響

圖11為不同浸泡介質(zhì)對(duì)室溫環(huán)境縱橫剪切模量的影響，可以看到，腐蝕性流體的浸泡會(huì)使材料的剪切模量平均降低約13%，其中，溶劑的影響最為明顯，為14.9%。

圖11 不同浸泡介質(zhì)對(duì)室溫環(huán)境縱橫剪切模量的影響

4 總 結(jié)

本文研究了T300級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油、液壓油和溶劑等4種腐蝕性流體的液體敏感性，得出以下結(jié)論：

(1)常溫環(huán)境下，T300級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料的層間力學(xué)性能對(duì)腐蝕性流體的敏感性并不高；在280℃環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油和液壓油的侵蝕可使材料的層間力學(xué)性能降低30%左右，溶劑侵蝕的影響最為顯著，層間力學(xué)性能降低45%左右，并與同等溫度下吸水平衡帶給試驗(yàn)件的性能退化相當(dāng)。

(2)常溫環(huán)境下，腐蝕性流體對(duì)T300級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料的開(kāi)孔壓縮性能影響較??；在280℃環(huán)境條件下，經(jīng)過(guò)介質(zhì)浸泡的試件開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度比未浸泡試件的強(qiáng)度平均降低25%～38%，溶劑帶來(lái)的性能退化最為明顯，但不及吸水平衡引起的強(qiáng)度降低。

(3)常溫環(huán)境下，液壓油對(duì)T300級(jí)樹(shù)脂基復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度影響較小，可忽略不計(jì)，溶劑引起的性能降低最為明顯，0.2%偏移強(qiáng)度降低可達(dá)到12.3%；侵蝕性液體對(duì)剪切模量的降低較為明顯，平均約為13%，其中溶劑引起的性能退化最高，液壓油最低。