程 文，曹 巖

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

近年來(lái)，由于無(wú)人機(jī)在海洋工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。大多數(shù)研究人員認(rèn)為，無(wú)人機(jī)所使用的復(fù)合材料在海洋環(huán)境的老化，如基體塑化、樹(shù)脂水解、界面脫黏和應(yīng)力腐蝕等，都是由水分?jǐn)U散引起的[4-5]。這些老化現(xiàn)象的發(fā)生導(dǎo)致基體材料無(wú)法有效地在增強(qiáng)纖維之間傳遞載荷[6]，從而影響復(fù)合材料的強(qiáng)度。因此，研究復(fù)合結(jié)構(gòu)在惡劣條件下的吸濕性和力學(xué)行為具有重要意義。本研究將無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸、壓縮和彎曲試樣浸入60 ℃的人造海水中進(jìn)行60 d老化試驗(yàn)。分別使用老化時(shí)間[7-8]和吸濕率[9]為主要變量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)描述復(fù)合材料在老化過(guò)程中的強(qiáng)度退化行為。采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對(duì)失效試樣進(jìn)行觀察，觀察無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在失效過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。文中測(cè)定海水環(huán)境下復(fù)合材料的拉伸、壓縮和彎曲強(qiáng)度退化情況，為其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用的無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料為玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂層合板，采用真空袋成型工藝制造。將單向無(wú)堿玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料(單層厚0.15 mm)按照一層0°、一層90°鋪5次，再按一層90°、一層0°鋪5次，制成層合板。層合板成型厚度為3 mm。根據(jù)測(cè)試要求，三種試樣的尺寸見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合材料力學(xué)試樣尺寸

處理后的試樣放入真空干燥箱中進(jìn)行完全脫濕。將脫濕后的樣品浸入60 ℃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液中浸泡60 d。在老化試驗(yàn)過(guò)程中，使用精度為0.1 mg的分析天平跟蹤測(cè)量試樣的質(zhì)量。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在量程范圍為2 kN的Instron5848微力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，而拉伸和壓縮試驗(yàn)在100 kN的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。所有試驗(yàn)均以1 mm·min-1的位移速率進(jìn)行。通過(guò)稱重和力學(xué)試驗(yàn)，得到各批次試樣不同浸泡時(shí)間的水分含量和力學(xué)性能，以確定復(fù)合材料在海洋環(huán)境條件下的性能退化情況。為了評(píng)估環(huán)境條件造成的復(fù)合材料性能退化情況，使用JSM-6510A掃描電子顯微鏡觀察老化過(guò)程中試樣的微觀結(jié)構(gòu)變化。

2 吸濕特性分析

復(fù)合材料的吸濕行為通過(guò)監(jiān)測(cè)試樣在60 d浸泡試驗(yàn)期間的平均水分含量來(lái)研究。試樣質(zhì)量的測(cè)量精度為0.1 mg。試樣浸泡一段時(shí)間t后的水分含量為

(1)

式中：Wd為浸泡前測(cè)得的干試樣質(zhì)量；Wt為老化試驗(yàn)期間測(cè)得的老化試樣質(zhì)量。由于特殊的微觀結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料中的吸濕行為比均質(zhì)材料更復(fù)雜，但在大多數(shù)情況下，菲克擴(kuò)散定律可以很好地描述復(fù)合材料的吸濕特性[10-14]，即

(2)

式中：G為吸濕率；M0為原始含水量；M∞為平衡含水量；Mt為t時(shí)刻的含水量；h為試樣厚度；t為浸泡時(shí)間；Dz為復(fù)合材料的擴(kuò)散率，即

(3)

式中：h為試樣厚度；M∞為平衡含水量；M1，M2分別為t1(浸泡時(shí)間)和t2(浸泡時(shí)間)時(shí)的水分含量。為便于計(jì)算，可將式(2)近似轉(zhuǎn)化為

(4)

試件在老化過(guò)程中水分含量隨時(shí)間的分布如圖1所示，在試驗(yàn)的最初的100 h內(nèi)，試樣吸濕率保持快速上升趨勢(shì)。接下來(lái)的100 h內(nèi)，漲幅明顯放緩，到了300 h，吸濕率逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至800 h，試件達(dá)到飽和吸濕狀態(tài)。

圖1 拉伸、壓縮和彎曲試樣的吸濕率-時(shí)間曲線

3 復(fù)合材料強(qiáng)度退化經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

在拉伸、壓縮條件下，試件破壞時(shí)的極限應(yīng)力為

(5)

式中：Pmax為試件破壞時(shí)試驗(yàn)機(jī)獲得的極限載荷；b、h分別為試樣的寬度和厚度。

在三點(diǎn)彎曲載荷作用下，試件破壞時(shí)的極限應(yīng)力為

(6)

其中D為試樣中心在三點(diǎn)彎曲載荷作用下的撓度位移。

浸泡時(shí)間t下PB模型[7]的老化強(qiáng)度特性為

σ(t)=(σ0-σ∞)e(-t/τ)+σ∞，

(7)

式中：σ0為干態(tài)強(qiáng)度；σ∞為平衡吸濕率下的老化強(qiáng)度；τ為隨溫度變化的特征時(shí)間。對(duì)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖2所示。

圖2 試樣強(qiáng)度與老化時(shí)間的擬合曲線

通過(guò)在不同溫度下進(jìn)行老化測(cè)試，發(fā)現(xiàn)層合板的拉伸強(qiáng)度和模量是吸濕率的函數(shù)，與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)。PS模型[9]的老化強(qiáng)度特性為

P=a(1-e-be-cM)+d，

(8)

式中：a、b、c和d為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；M為材料吸濕率。經(jīng)分析后得到相應(yīng)的強(qiáng)度退化曲線，如圖3所示。初始階段的吸濕率變化并未直接導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度下降，當(dāng)吸濕率達(dá)到一定的臨界值，強(qiáng)度開(kāi)始下降。

圖3 試樣強(qiáng)度與吸濕率的擬合曲線

擬合參數(shù)見(jiàn)表2～3，在非線性回歸分析中，初始值的尋找是影響計(jì)算精度和效率的關(guān)鍵因素。通過(guò)擬合結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，d與試驗(yàn)的最終材料強(qiáng)度相關(guān)，a與干態(tài)試件與最終老化試件的強(qiáng)度差值有關(guān)，c與控制曲線在強(qiáng)度退化階段的斜率的系數(shù)有關(guān)。AdjR2為校正決定系數(shù)，此系數(shù)越接近于1，表示擬合結(jié)果越好。擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的相關(guān)性，尤其是對(duì)彎曲強(qiáng)度退化的擬合。

表2 PB經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合參數(shù)

表3 PS經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合參數(shù)

4 微觀結(jié)構(gòu)

為了研究人工海水對(duì)復(fù)合材料的老化效應(yīng)，需要對(duì)失效試樣的斷裂面進(jìn)行顯微觀察。使用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料破壞區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)特征。

圖4(a)～(d)分別為干燥和老化后彎曲試樣的分層損傷區(qū)域。在干燥條件下，玻璃纖維被樹(shù)脂基體很好地覆蓋，損傷主要發(fā)生在樹(shù)脂基體上。經(jīng)過(guò)10 d的老化試驗(yàn)，如圖4(b)所示，復(fù)合材料試樣的損傷形式?jīng)]有明顯的變化。

圖4 失效試樣的分層損傷區(qū)域SEM顯微照片

雖然在纖維/基體界面出現(xiàn)了輕微的脫黏現(xiàn)象，但并沒(méi)有造成明顯的強(qiáng)度下降。在這個(gè)階段，雖然吸濕率迅速增加，但老化主要是由游離水分子引起的可逆物理變化。當(dāng)老化試驗(yàn)進(jìn)行到30 d時(shí)，老化試樣的形貌發(fā)生了顯著變化。在這個(gè)階段，不可逆的化學(xué)降解在老化中起了主要作用。同時(shí)，聚合物基體受到結(jié)合水分子的影響，發(fā)生斷鏈、交聯(lián)、水解和塑化。樹(shù)脂基體的力學(xué)性能因水解和塑化而發(fā)生變化，樹(shù)脂在失效區(qū)域呈顆粒狀或粉狀，如圖4(c)所示。圖4(d)顯示了60 d老化后的試件。失效區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)纖維/基體脫黏現(xiàn)象，玻璃纖維表面光滑，樹(shù)脂殘留少。試件已達(dá)到飽和吸濕階段，水分子已滲透整個(gè)層板。水分子對(duì)樹(shù)脂基體和纖維/樹(shù)脂界面產(chǎn)生破壞性的影響。

拉伸試樣斷口區(qū)域的SEM顯微照片如圖5(a)～(d)所示。與圖4相同，拉伸試樣也經(jīng)歷了類似的老化過(guò)程。比較圖5(a)和圖5(b)，纖維拔出痕跡表明纖維與基質(zhì)在潮濕條件下的黏附性變差，纖維/基體界面遭到了破壞。圖5(c)和圖5(d)顯示了老化后樹(shù)脂基體的變化。

圖5 拉伸試樣斷口區(qū)域的SEM顯微照片

5 結(jié) 論

將無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣浸入60 ℃的人造海水中浸泡60 d，對(duì)海水條件下復(fù)合材料的強(qiáng)度退化進(jìn)行研究，得到結(jié)論為

1) 復(fù)合材料試樣的擴(kuò)散行為由菲克定律描述。經(jīng)過(guò)60 d的老化試驗(yàn)，拉伸、壓縮和彎曲試樣的飽和吸濕率均有不同程度的上升，強(qiáng)度均有不同程度的下降。

2) 使用PB模型和PS模型分析復(fù)合材料的強(qiáng)度退化。結(jié)果表明，兩種模型均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性。PB模型的優(yōu)點(diǎn)是所使用的參數(shù)變量很容易捕獲，但該模型側(cè)重于長(zhǎng)期性能預(yù)測(cè)，缺乏對(duì)強(qiáng)度退化初始階段的預(yù)測(cè)能力。相反，PS模型雖然受飽和吸濕量的限制，但對(duì)強(qiáng)度退化開(kāi)始階段更敏感。

3) 對(duì)試件分層和拉伸破壞區(qū)域的SEM觀察表明，雖然吸濕量在老化試驗(yàn)初期迅速增加，但復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生明顯變化。當(dāng)達(dá)到臨界含水量時(shí)，樹(shù)脂基體在結(jié)合水分子的作用下發(fā)生不可逆的化學(xué)變化。纖維/基體之間的界面遭到破壞，這可以從纖維/基體脫黏現(xiàn)象的頻繁發(fā)生和纖維拔出產(chǎn)生的光滑表面得到證明。