陳國濤，段金生，夏奕

(海軍工程大學艦船與海洋學院，武漢 430033)

當前，隨著新材料研發(fā)、制造工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的不斷提高，復合材料在艦艇結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用范圍逐漸由輕質(zhì)殼板等受力較小的結(jié)構(gòu)向中等承載或主承載的桅桿、上層建筑甚至主船體發(fā)展，應(yīng)用較為廣泛的纖維增強復合材料主要包括碳纖維增強復合材料和玻璃纖維增強復合材料，其中，碳纖維強度和模量更高，但價格較貴，而玻璃纖維價格雖然便宜，強度和模量相對較低。因此，對于復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計者而言，為了獲得力學性能和制造成本的綜合優(yōu)勢[1-5]，碳／玻層間混雜鋪層設(shè)計方案的應(yīng)用和研究越來越多[6]。

然而，由于纖維織物不同，其纖維絲束表面粘結(jié)劑不同，進而導致不同纖維織物對同一樹脂基體的浸潤性存在差別，比如，碳纖維與環(huán)氧樹脂的浸潤性優(yōu)于玻璃纖維，玻璃纖維與乙烯基脂樹脂浸潤性優(yōu)于碳纖維，而纖維織物與樹脂基體浸潤性不同，則對成型后碳／玻層間混雜復合材料強度，尤其是層間界面粘接強度影響較大。加之，艦艇復合材料結(jié)構(gòu)服役環(huán)境的特殊性，如海水浸泡、高低溫交替、鹽霧腐蝕[7-8]等因素以不同機制作用于復合材料結(jié)構(gòu)，會直接導致復合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生老化，進而導致復合材料力學性能下降，影響復合材料及其構(gòu)件的使用壽命。碳／玻層間混雜復合材料主要由增強纖維和樹脂基體組成[9-10]，樹脂基體賦予復合材料結(jié)構(gòu)整體性和完整性，并起著傳遞和均衡載荷的重要作用。同時，所用樹脂基體性能對由復合材料老化引起的塑性變化、化學變化、應(yīng)力狀態(tài)的改變以及纖維和基體界面的分離等現(xiàn)象有重要的影響。綜上所述，對碳／玻層間混雜復合材料開展成型用樹脂體系的選型研究十分必要。

彎曲試驗操作方便、應(yīng)用廣泛，彎曲強度是反映復合材料綜合性能的一個重要指標[11]，同時，濕強度是表征復合材料吸濕老化特性和艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計者重點關(guān)注的一種重要指標，因此，為便于開展碳／玻層間混雜復合材料老化特性樹脂選型研究，筆者在相同鋪層方案、同一混雜比下，對目前應(yīng)用較為廣泛的乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂對應(yīng)的碳／玻層間混雜復合材料試樣分別進行了干／濕態(tài)彎曲強度測試，在此之前，為確定樹脂基體對碳／玻層間混雜復合材料濕態(tài)彎曲強度的影響機理，對上述兩種類型樹脂分別開展耐水性加速老化特性試驗研究[12-15]，并對老化后的樹脂分別開展剩余彎曲特性測試。在掌握兩種樹脂的老化剩余特性的基礎(chǔ)上，探究樹脂類型對碳／玻層間混雜復合材料性能影響機理，從而為碳／玻層間混雜復合材料樹脂基體材料的選型提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 原材料

T700單向碳纖維布：HITEX-c300，南京海拓復合材料有限責任公司；

多軸向玻璃纖維布：EWR800，常州天馬集團有限公司；

乙烯基樹脂：Ataltic-430LV，南京金陵帝斯曼樹脂有限公司；

環(huán)氧樹脂：QC-350，惠柏新材料科技股份有限公司。

纖維和樹脂物理力學性能指標見表1。

表1 纖維和樹脂物理力學性能

1.2 主要儀器與設(shè)備

微機控制電子萬能試驗機：C45.504型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；

探針式溫度測量儀：TP101型，深圳市特加特科技有限公司；

電熱鼓風恒溫干燥箱：101-1AS，天津市宏諾儀器有限公司。

1.3 試樣制備

(1)樹脂澆鑄體試樣制備。

向兩種樹脂中均加入與相應(yīng)復合材料成型時所必須的等量固化劑、促進劑等輔助材料，然后進行攪拌處理；攪拌時，沿同一方向勻速攪拌，攪拌棒緊貼樹脂桶壁，當樹脂內(nèi)部顏色一致、無分層紋路時，表明樹脂混合均勻，停止攪拌，并在真空中靜置5 min去除氣泡備用；將樹脂澆鑄到模具中，再次進行脫泡處理，將脫泡完畢的樹脂澆鑄體放入電熱鼓風恒溫干燥箱中進行后固化烘烤，兩種樹脂澆鑄體均在70℃下烘烤2 h，再在60℃下烘烤6 h；后固化完畢后，立即關(guān)閉干燥箱電源，澆鑄體試樣隨干燥箱內(nèi)溫度逐漸降低而逐漸冷卻至室溫，待24 h后取出，以避免試樣因高溫后固化作用產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，發(fā)生翹曲現(xiàn)象。待澆鑄體試樣后固化結(jié)束后，開始對其進行常規(guī)彎曲試驗和老化試驗。

(2)碳／玻層間混雜復合材料試樣制備。

碳／玻層間混雜復合材料中，碳／?；祀s方式為層間混雜，結(jié)構(gòu)形式類似于“三明治”夾忒結(jié)構(gòu)，上、下鋪設(shè)T700單向碳纖維布，中間鋪設(shè)多軸向玻璃纖維布，對應(yīng)碳／玻體積混雜比為1.86／1，試樣厚度為10.06 mm。碳／玻層間混雜復合材料試樣通過真空成型工藝制備，試樣結(jié)構(gòu)形式依據(jù)GB／T 1449-2005，如圖1所示，其長度L=250 mm、寬度b=30 mm，t=3.27 mm，d=3.52 mm。

圖1 復合材料試樣結(jié)構(gòu)形式

1.4 樹脂澆鑄體試樣耐水性加速老化試驗

參照GB／T 2573-2008對樹脂澆鑄體試樣進行耐水性加速老化試驗。將兩種樹脂澆鑄體試樣放入70℃熱水中(利用電熱鼓風恒溫干燥箱保證水溫恒定)，以24 h 為一個周期，分別在0，1／3，1／2，1，2，3，6周期時取出試樣，將其表面清潔后，按照GB／T 2570-1995測試樹脂澆鑄體試樣的彎曲強度，測試速度2 mm／s，每組測試有效試樣數(shù)目不少于5個。

1.5 碳／玻層間混雜復合材料干／濕態(tài)彎曲試驗

濕態(tài)彎曲試驗是指在100℃下水煮2 h后進行彎曲試驗。干／濕態(tài)彎曲強度參照GB／T 1449-2005測試，均采用常溫靜載三點彎曲試驗?zāi)Ｊ?，試驗速? mm／min，跨距15h(h代表試樣厚度)，每組試驗有效試樣數(shù)量不少于5個。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂澆鑄體試樣耐水性加速老化試驗結(jié)果分析

試驗前樹脂澆鑄體試樣狀態(tài)如圖2a所示，為了便于開展耐水性加速老化試驗，將試樣均勻放于篦子上，如圖2b所示；然后將篦子放入水浴鍋中，鍋內(nèi)水溫為70℃，為了保證水溫恒定，將水浴鍋與試樣一起放置于電熱鼓風恒溫干燥箱中，如圖2c所示，試樣彎曲試驗狀態(tài)如圖3所示。

在常規(guī)彎曲試驗(未進行耐水性加速老化的彎曲試驗)中，兩種樹脂澆鑄體試樣的彎曲應(yīng)力-位移曲線變化趨勢基本一致，故以350環(huán)氧樹脂為例，對其彎曲試驗過程進行分析，如圖4所示，在初始階段，位移為0～3 mm時，彎曲應(yīng)力-位移曲線為線彈性變化，且所有試樣在該位移范圍內(nèi)的曲線基本完全重合；隨著位移進一步增加，當位移為3～8 mm時，試樣處于屈服階段，但仍具有一定的承載能力，彎曲應(yīng)力繼續(xù)增加。尤其是當位移在4 mm以后時，試樣發(fā)生明顯塑性變形，試樣與下方兩個支撐點發(fā)生明顯滑移，直至試樣完全斷裂。兩種樹脂澆鑄體試樣未老化(第0個周期)時的常規(guī)彎曲強度見表2。由表2可知，常規(guī)彎曲試驗環(huán)境下，430LV乙烯基樹脂彎曲強度為81.66 MPa，略低于350環(huán)氧樹脂的89.77 MPa，且兩種試樣彎曲強度數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，彎曲強度離散系數(shù)均在5%以內(nèi)。

圖2 耐水性加速老化過程

圖3 彎曲試驗狀態(tài)

圖4 環(huán)氧樹脂彎曲應(yīng)力-位移曲線(常規(guī)狀態(tài)，5個試樣)

對于耐水性加速老化試驗，兩種樹脂澆鑄體試樣在各個老化階段下彎曲應(yīng)力-位移曲線變化趨勢基本一致，且均與常規(guī)狀態(tài)下的彎曲應(yīng)力-位移曲線變化規(guī)律基本一致，老化剩余彎曲強度見表2。在1／3周期時，兩種試樣彎曲強度增加且穩(wěn)定性較好，離散系數(shù)均在10%以內(nèi)；但在1／3～1／2周期時，430LV乙烯基樹脂試樣彎曲強度在1／2周期時降低，而350環(huán)氧樹脂試樣彎曲強度則繼續(xù)增加；隨著水浴老化時間增加，在1～6周期范圍內(nèi)，兩種試樣剩余彎曲強度均逐漸減小，每個階段剩余彎曲強度性能總體穩(wěn)定性良好，且430LV乙烯基樹脂試樣彎曲強度降低幅度略大于350環(huán)氧樹脂試樣。這是由于在濕熱加速老化狀態(tài)下，兩種樹脂均有不同程度吸水，由于樹脂在70℃水浴環(huán)境下存在一個后固化過程，此時后固化特性對材料的強化作用已超過了濕熱吸水對材料的負面作用，因此，在初始階段試樣的彎曲強度呈現(xiàn)強化現(xiàn)象。但隨著老化時間的增加，水分子會更多地浸入樹脂內(nèi)部，使得分子鏈之間的作用力減小，降低了樹脂基體分子間應(yīng)力傳遞的能力，導致彎曲強度又再次下降。隨著水浴時間增加，兩種樹脂進一步吸水，導致樹脂內(nèi)部越來越多的分子鏈斷裂，樹脂剩余彎曲強度均繼續(xù)降低。整個老化試驗過程中，350環(huán)氧樹脂的耐水老化特性明顯優(yōu)于430LV乙烯基樹脂。

表2 兩種樹脂澆鑄體試樣在不同老化周期的彎曲強度 MPa

2.2 層間混雜復合材料試樣彎曲試驗結(jié)果分析

層間混雜復合材料試樣試驗前狀態(tài)如圖5所示，試樣加載狀態(tài)如圖6所示。試驗測試結(jié)果見表3，試樣最終破壞形式見圖7。

由表3可知，無論是430LV乙烯基樹脂還是350環(huán)氧樹脂，與干態(tài)相比，其濕態(tài)彎曲強度、彎曲彈性模量均有一定程度下降，其中，以350環(huán)氧樹脂基復合材料試樣為例，其彎曲強度保留率約為97.1%，彎曲彈性模量保留率約為98%。這是由于樹脂濕熱吸水對材料的負面作用已超過了后固化特性對材料的強化作用，導致試樣彎曲強度降低；對于模量而言，由于彎曲彈性模量主要受纖維性能控制，而無論是碳纖維還是玻璃纖維，兩者在沸水濕熱作用下，基本不吸水，纖維性能基本不變，但樹脂基體性能降低，從而使得復合材料彎曲彈性模量均有下降，但降幅相對較小。

圖5 復合材料試樣試驗前狀態(tài)

圖6 試驗加載狀態(tài)

表3 層間混雜復合材料試樣彎曲試驗測試結(jié)果

圖7 混雜復合材料試樣極限損傷失效狀態(tài)

此外，從表3測試結(jié)果可以看出，在碳／?；祀s比相同的情況下，350環(huán)氧樹脂基體對應(yīng)的復合材料試樣強度和模量均高于430LV乙烯基樹脂。這是由于在碳／玻層間混雜復合材料試樣中，碳／?；祀s比為1.86／1，碳纖維體積含量明顯高于玻璃纖維，碳纖維對復合材料試樣強度和模量占主導作用，而碳纖維與350環(huán)氧樹脂浸潤性更好，且350環(huán)氧樹脂本身干、濕態(tài)彎曲性能略優(yōu)于430LV乙烯基樹脂，因此，350環(huán)氧樹脂基混雜復合材料彎曲性能明顯優(yōu)于430LV乙烯基樹脂基混雜復合材料。

3 結(jié)論

(1)350環(huán)氧樹脂在常規(guī)環(huán)境下和經(jīng)過耐水性加速老化試驗后，其澆鑄體試樣彎曲性能優(yōu)于430LV乙烯基樹脂鑄體試樣。

(2)350環(huán)氧樹脂和430LV乙烯基樹脂在耐水性加速老化試驗過程中，其澆鑄體試樣彎曲性能均呈現(xiàn)先增加再減小的變化趨勢；彎曲強度增加主要是由于樹脂在老化初始階段受高溫作用而出現(xiàn)后固化；隨著老化時間繼續(xù)增加，兩種樹脂會因繼續(xù)吸水而導致其澆鑄體試樣彎曲強度又開始降低。

(3)對于經(jīng)過后固化處理的碳／?；祀s復合材料試樣，在相同混雜比下，無論是干態(tài)還是濕態(tài)，350環(huán)氧樹脂基體對應(yīng)的混雜復合材料試樣彎曲強度和彎曲彈性模量均高于430LV乙烯基樹脂對應(yīng)的混雜復合材料試樣。