石建軍, 任銀銀, 賈 彬,2, 劉曹銳, 張佳賀

（1．西南科技大學 土木工程與建筑學院, 四川 綿陽 621010；2．中國空氣動力研究與發(fā)展中心 結冰與防除冰重點實驗室,四川 綿陽 621000）

環(huán)氧樹脂基碳纖維增強復合材料（EP-CFRP）具有輕質高強的特點，廣泛用于土木工程和航空航天領域[1]。

樹脂基復合材料性能會受到環(huán)境溫度的影響。李洋洋[2]分析發(fā)現(xiàn)T700/HT280單向板試件經過 ?60～180 ℃高低溫循環(huán)20周次左右拉伸強度先升高，之后材料內部出現(xiàn)界面損傷導致強度降低。劉佳琦[3]認為T700/HT280多向板復合材料在 ?140～180 ℃循環(huán)后由于析氣效應導致拉伸強度下降較快，20周期后材料發(fā)生的后固化效應導致拉伸強度下降變緩。Meng等[4]發(fā) 現(xiàn)在 ?196～23 ℃熱循環(huán)作用后單向CFRP復合材料內部缺陷被放大，拉伸強度有輕微的降低，循環(huán)150周期后下降了約2.4%。Lord等[5]發(fā)現(xiàn)在 ?51～140 ℃循環(huán)后復合材料出現(xiàn)基體開裂、分層。循環(huán)初期約10周期左右，基體開裂最為嚴重；隨著循環(huán)次數的增加，裂紋擴展逐漸變緩，100周期左右材料出現(xiàn)明顯分層。以上研究表明，高低溫循環(huán)作用會影響碳纖維增強復合材料的拉伸性能。材料的種類、高低溫循環(huán)的溫度區(qū)間以及循環(huán)周期等是導致樹脂基復合材料性能退化的重要因素。

樹脂基復合材料的性能也會受到濕度的影響。De等[6]將EP-CFRP放置在溫度為30 ℃、相對濕度分別為56%、70%、84%的環(huán)境下，實驗顯示相對濕度越大，材料吸濕越快，吸濕率越大。Yalagach等[7]將玻璃纖維增強環(huán)氧層合板放置在23 ℃、60 ℃、85 ℃三種溫度環(huán)境中，對應每種溫度環(huán)境設置相對濕度分別為50%和85%的條件下，測得復材的擴散系數和飽和吸濕量都隨溫度和濕度的增加而增加。熊明洋[8]將CFRP分別放置在室溫（25 ℃）環(huán)境中水浸和溫度為75 ℃、相對濕度90%的環(huán)境中，實驗表明兩種工況下測得的拉伸強度并沒有太大變化。以上研究表明，當溫度恒定時，環(huán)境濕度越大，材料的吸濕速率越快、吸濕率越大，但是強度沒有明顯變化。

于愛民等[9]將CFRP片材置于 ?17～8 ℃進行凍融循環(huán)實驗后發(fā)現(xiàn)拉伸強度明顯降低；分析認為進入到纖維與樹脂間隙的水分在凍融循環(huán)的過程中，由于凝固膨脹引起微裂紋擴展是導致拉伸強度降低的原因。Li等[10]的實驗表明CFRP單向板在 ?30～30 ℃凍融循環(huán)后拉伸強度呈現(xiàn)出先降低再升高再降低的變化趨勢，循環(huán)90個周期后，拉伸強度下降了16%，彈性模量下降了18%。以上研究表明，高低溫循環(huán)及濕度雙因素的耦合作用將明顯削弱CFRP的拉伸性能。

除了高低溫循環(huán)及濕度的作用，樹脂基復合材料的性能也會受到荷載的影響。南田田等[11]將EP-CFRP浸泡在恒溫70 ℃水中，同時施加0%、30%、60%的極限荷載，結果表明：60%極限荷載水平作用下材料強度下降最嚴重，吸濕率上升最快。姜明[12]將CFRP層合板經過8個高低溫周期循環(huán)處理，加載水平分別為0%、30%、60%的極限荷載，結果表明：隨著循環(huán)周期的增加，加載水平越大，基體和界面裂紋形成與擴展越快，材料的強度下降越快。以上研究表明：高低溫循環(huán)-濕度-荷載的耦合作用將對EP-CFRP的拉伸性能有顯著影響。

目前，關于高低溫循環(huán)-濕度-荷載雙因素及三因素耦合作用的報道仍然較少，研究主要考慮了高低溫及濕度環(huán)境對復合材料老化的影響，而忽略了荷載的耦合作用。在工程結構中，構件通常處在環(huán)境與荷載的共同作用下，存在一定的耦合關系，如果單一地考慮環(huán)境因素或者荷載因素的影響，顯然是不足的。本研究以環(huán)氧樹脂基T700碳纖維增強復合材料（EP-T700CFRP）為研究對象，結合拉伸強度測試、吸水率實驗及SEM細觀掃描，通過對比在有水浸泡和無水環(huán)境中，試件在空載和不同程度荷載條件下，進行不同周期的高低溫冷熱循環(huán)實驗結果，探究在“高低溫循環(huán)-濕度”雙因素耦合作用以及“高低溫循環(huán)-濕度-荷載”三因素耦合作用下EP-T700CFRP板拉伸性能的變化規(guī)律以及界面損傷機理，最后通過數據擬合方法標定出剩余強度的預測模型。

1 實驗材料與方法

EP-T700CFRP是以日本東麗公司生產的T700-12K碳纖維絲束為增強體，以昆山裕博復合材料有限公司生產的環(huán)氧樹脂F(xiàn)RD-YG-04 為基體，由山東省德州卡本梵博復合材料有限公司采用預浸料手工鋪層與模壓成型方式固化而成，原材料基本力學性能見表1和表2。根據標準GB/T 3354—2014[13]將試件尺寸設置為 230 mm×12.5 mm×2 mm，見圖1，按照纖維鋪層方向切割。為確保試件同源性和試件有效性，對試件進行篩選，剔除材料表面有瑕疵的試件，保留平整、絲束分布整齊的試件。

圖1 試件尺寸圖Fig. 1 Dimensional drawing of test piece

表1 T700SC-12K碳纖維絲的性能指標Table 1 Performance index of T700SC-12K carbon fiber yarn

表2 FRD-YG-04環(huán)氧樹脂預浸料的性能指標Table 2 Performance index of FRD-YG-04 epoxy resin prepreg

高低溫循環(huán)實驗溫度設置參考國內夏季高溫40 ℃、秋季常溫25 ℃，冬季時能遇到的極低溫度?40 ℃。荷載設置依據文獻[11]，EP-CFRP許用承載力約為設計荷載的80%，在濕度環(huán)境下強度預計折損20%，所以實驗荷載不得超過極限荷載的60%。綜上，考慮 ?40～40 ℃ 和 ?40～25 ℃ 兩種溫度循環(huán)區(qū)間，有水浸泡和無水兩種環(huán)境條件，空載、加載水平分別為30%和60%極限荷載的3種荷載條件下，探究在“高低溫循環(huán)-濕度”雙因素耦合作用以及“高低溫循環(huán)-濕度-荷載”三因素耦合作用下EP-T700CFRP板拉伸性能的變化規(guī)律。除了常溫工況外，其余每種工況實驗都設置了5、10、100、200、300個高低溫循環(huán)周期，因此“高低溫循環(huán)-濕度”雙因素耦合作用實驗共計4+1種工況20+1個實驗組；“高低溫循環(huán)-濕度-荷載”三因素耦合作用實驗共計8+1種工況40+1個實驗組。根據標準GB/T 3354—2014[13]要求每組實驗制備7根試件。

采用T-HWS-80U可程式高低溫實驗箱（溫度范圍：?60～150 ℃；波動度 ≤±0.5 ℃；偏差≤±2 ℃；降溫速率2～3 ℃/min；相對濕度 45%～55%）。為了保證相對穩(wěn)定的初始狀態(tài)，實驗先將試件放置在常溫、45%～55%的濕度環(huán)境中靜置10 天，然后放入實驗箱中進行高低溫循環(huán)實驗，?40～40 ℃ 及?40～25 ℃ 2組工況的溫控曲線分別如圖2所示，每個高低溫循環(huán)實驗工況下同時設置有水浸泡和無水兩組不同濕度環(huán)境的對比實驗。

為了實現(xiàn)“高低溫循環(huán)-濕度-荷載”三因素的耦合作用，參照文獻[12]，設計加工如圖3所示的彎曲加載裝置，通過撓度控制的方法進行加載，加載撓度值可根據式（1）計算得到。在有水工況實驗組中，整個加載裝置將被完全浸入水浴盆中，再連同水浴盆一起置入高低溫實驗箱。

圖3 彎曲加載裝置Fig. 3 Bend loading device

式中：σf施加的彎曲荷載，MPa；E彈性模量，MPa；h厚度，mm；y撓度，mm；L跨度，mm。

由式（1）計算可得：加載水平分別為30%和60%極限荷載相對應的撓度值分別為1.276 mm和2.552 mm。

環(huán)境實驗結束后試件依次進行吸水率及拉伸強度測試。吸水率測試根據GB/T 1462—2005《纖維增強塑料吸水性試驗方法》[14]和HB 7401—1996《樹脂基復合材料層合板濕熱環(huán)境吸濕試驗方法》[15]進行。首先將試件放入70 ℃的烘箱中烘干至工程干態(tài)（烘干期間每天對試件稱量一次，脫濕速率穩(wěn)定在每天質量損失不大于0.02%時為工程干態(tài)）。然后放置在25 ℃室溫環(huán)境中對試樣進行吸濕處理，前四天每天稱重一次，之后每三天稱重一次，當吸濕速率增量接近每天質量增量的0.05%時,每天稱重一次；當連續(xù)三次稱量得到吸濕速率增量均小于每天質量增量的0.05%，則認為試件達到平衡吸濕狀態(tài)[15]。EP-CFRP的吸水率可由式（2）計算獲得：

式中：wi平 衡吸水率，%；G0工程干態(tài)時的質量，g；Gi進行吸濕處理一定時間后EP-CFRP的質量，g。計算試件最終的吸水率時，Gi取平衡吸濕狀態(tài)時的質量。

拉伸強度測試參照GB/T 3354—2014《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》[13]進行。利用ETM105D電液伺服萬能試驗機，采用位移控制方式，加載速率為2 mm/min，利用引伸計測量拉伸變形，獲得應力應變曲線。

2 實驗結果及分析

2.1 高低溫循環(huán)-濕度雙因素耦合作用

高低溫循環(huán)-濕度雙因素耦合作用后試件的拉伸破壞斷口呈現(xiàn)出較平整的形態(tài)，屬于脆性破壞[16]，破壞形貌如圖4所示。

圖4 典型工況破壞形貌Fig. 4 Damage morphology under typical working conditions

圖5、圖6為EP-T700CFRP單向板在高低溫循環(huán)-濕度雙因素耦合作用后的拉伸強度、平衡吸濕率及拉伸模量變化趨勢。結果顯示：拉伸強度呈現(xiàn)出先降低再增加再降低的變化趨勢，平衡吸濕率先升高再降低再升高；試件在受高低溫循環(huán)和濕度雙因素的耦合作用后的拉伸強度明顯比無水環(huán)境下低，與此相反，平衡吸濕率明顯偏高；拉伸強度最大降幅為13.15%，平衡吸濕率最大升幅為0.43%。拉伸模量變化不大。

圖5 拉伸強度、吸濕率與循環(huán)周期關系Fig. 5 Relationship of tensile strength, moisture absorption rate with cycle number

圖6 彈性模量與循環(huán)周期關系Fig. 6 Relationship of elastic modulus with cycle number

在高低溫循環(huán)-濕度雙因素耦合作用的初始階段（約5周期左右），由于碳纖維與基體的熱膨脹系數較大的差異性，環(huán)境突變時在復材內部產生了較大的熱應力與熱應變，導致基體瞬時開裂嚴重，復合材料吸濕能力增強，平衡吸濕率增大，拉伸強度出現(xiàn)短暫的明顯的下降，該現(xiàn)象與文獻[17]結果一致。循環(huán)10周期左右，材料在常溫和高溫下發(fā)生了后繼固化效應使界面黏結力增強[18]，平衡吸濕率降低，拉伸強度又恢復至初始狀態(tài)，并在后續(xù)直至100周期左右呈現(xiàn)出較長周期的增長趨勢。循環(huán)100周期之后直至300周期，熱應力與熱應變的不斷累積導致微裂紋進一步擴展，平衡吸濕率增大，拉伸強度下降[19]。

2.2 高低溫循環(huán)-濕度-荷載耦合作用

高低溫循環(huán)-濕度-荷載三因素耦合作用后試件的拉伸破壞呈現(xiàn)出散絲劈裂的形態(tài)，屬于韌性破壞[16]，破壞形貌如圖7所示。

圖7 拉伸破壞形貌Fig. 7 Tensile failure morphology

?40～40 ℃ 高低溫循環(huán)-濕度-荷載三因素耦合作用結果如圖8所示，結果顯示：試件的拉伸強度變化趨勢和雙因素作用的結果一致，整體呈現(xiàn)出先降低再升高再降低的趨勢，平衡吸濕率先升高再降低再升高。拉伸強度越小，平衡吸濕率越大，即材料毛細吸水能力越強，也就說明材料存在的微裂紋越多。同一加載水平下，經歷相同周期的高低溫循環(huán)后，水浸泡環(huán)境下的試件拉伸強度明顯比無水環(huán)境的高，平衡吸濕率明顯比無水環(huán)境小。由圖9可知，拉伸模量變化不大。

圖8 拉伸強度、吸濕率與循環(huán)周期關系Fig. 8 Relationship of tensile strength, moisture absorption rate with cycle number

圖9 彈性模量與循環(huán)周期關系Fig. 9 Relationship of elastic modulus with cycle number

由圖8還可以看出 ?40～40 ℃ 高低溫循環(huán)-濕度-荷載三因素耦合作用初始階段（約5周期左右），在環(huán)境突變時依然會由于碳纖維與基體差異較大的熱膨脹系數導致基體瞬時開裂嚴重，拉伸強度出現(xiàn)明顯的下降，但是相較于雙因素的耦合作用，當有荷載的耦合作用時，第一輪下降周期較長，初始階段由于環(huán)境突變產生的熱應力與熱應變累積效應更明顯，導致試件拉伸強度在循環(huán)5周期時明顯下降，并在后續(xù)的100周期左右持續(xù)保持下降趨勢，100周期之后出現(xiàn)上升拐點并持續(xù)上升至200周期左右（由于復合材料的后固化效應引起的強度提升），隨后拉伸強度又出現(xiàn)輕微下降，這個階段試件內部微裂紋、微孔隙進一步擴展，平衡吸濕率出現(xiàn)輕微上升。

?40～25 ℃ 高低溫循環(huán)-濕度-荷載三因素耦合作用結果如圖10所示，試件的拉伸強度呈現(xiàn)出和?40～40 ℃ 不一樣的變化趨勢。循環(huán)200周期之前，拉伸強度變化趨勢與高低溫循環(huán)和濕度雙因素耦合作用后的拉伸強度變化趨勢一致，200周期之后至300周期，拉伸強度出現(xiàn)第二次的輕微上升。整體呈現(xiàn)出先降低再升高再降低再升高共4個階段的變化趨勢，平衡吸濕率也相應地先升高再降低再升高再降低。對于相同的水浸泡環(huán)境或者無水環(huán)境，經歷相同周期的高低溫循環(huán)后，加載60%的拉伸強度小于加載30%的拉伸強度，平衡吸濕率也相應較大。由圖11可知，拉伸模量變化不大。

圖10 拉伸強度、吸濕率與循環(huán)周期關系Fig. 10 Relationship of tensile strength, moisture absorption rate with cycle number

圖11 彈性模量與循環(huán)周期關系Fig. 11 Relationship of elastic modulus with cycle number

由以上實驗結果可知，復合材料的外荷載與吸濕量之間存在一定的對應關系：載荷水平越高的層合板，相同周期濕熱循環(huán)后，材料吸濕率越大，拉伸強度下降越嚴重。這是因為對于樹脂基復合材料，基體中存在著初始裂紋或孔隙等缺陷，載荷的作用使得缺陷處產生應力集中，加速裂紋的形成和擴展，促進基體進一步吸濕，此機制可被稱為“應力開裂”；隨著吸濕量的增大，纖維和樹脂基體的濕熱膨脹不匹配性加劇在界面上產生剪切內應力，當剪切應力超過界面所承受的黏結力時就會引發(fā)界面脫粘和分層，進一步促進吸濕，此機制可被稱為“應力誘發(fā)脫粘”[20]。由于外載荷對以上兩方面吸濕的促進作用，導致材料吸濕速率增大、平衡吸濕量也增大，且加載量越大，對材料吸濕的促進作用越明顯。外載荷作用下復合材料的吸濕過程是一個自加速的惡性循環(huán)，外加載荷作用力和吸濕的共同作用加速復合材料板的強度損傷。

3 強度損傷模型分析

拉伸強度的變化主要受高低溫區(qū)間、高低溫循環(huán)周次、環(huán)境濕度及外部荷載等因素的影響。這種變化綜合反映了復合材料基體破壞和界面黏結性能的情況[21]。本研究考慮 ?40～40 ℃ 和 ?40～25 ℃ 兩種溫度循環(huán)區(qū)間，有水浸泡和無水兩種環(huán)境條件下，探究EP-T700CFRP復材板隨不同高低溫循環(huán)周次及外部荷載水平的變化規(guī)律，剩余拉伸強度模型可表示為：

式中：R(n)為高低溫循環(huán)作用后EP-CFRP的剩余拉伸強度；n為高低溫循環(huán)次數；s為外加荷載的應力比值。

根據目前國內飛行器用復合材料結構件設計要求，一般設計強度是設計載荷的 130%。經換算即當復合材料層合板的強度下降 23%時，可認為強度失效[22]。假設σ0為EP-CFRP層合板常溫下的初始拉伸強度，則極限拉伸強度σf=(1?0.23)σ0=0.77σ0。因此，滿足式(3)的邊界條件為：

基于累積損傷理論[23]，一次高低溫循環(huán)實驗損傷量可定義為：

式中： ?Di為 第i次循環(huán)造成的損傷；R(i)為循環(huán)i次后EP-CFRP的剩余拉伸強度；A為材料系數。

循環(huán)n次后的累積損傷為：

式中：Dn為循環(huán)n次后的累積損傷。

當循環(huán)次數為n=nf時，試件已達到臨界損傷狀態(tài),損傷破壞時的累積值為：

代入邊界條件式（4）和式（5），得到臨界累積損傷值Dcr為：

假定EP-CFRP試件循環(huán)實驗后損傷失效的臨界損傷極限值為1，則式（9）變?yōu)椋?/p>

聯(lián)合式（6）、式（7）和式（10），并假設復合材料構件失效時的剩余拉伸強度為 σf=0.77σ0，得到循環(huán)實驗后剩余抗拉強度的累積損傷模型為：

式中：Dn為損傷函數，描述不同循環(huán)周次（n）及不同加載水平（s）作用下的拉伸強度累積損傷。

損傷函數的確定是建立損傷模型的一個重點，根據拉伸實驗結果，在分析EP-T700CFRP復材板在 ?40～40 ℃ 和 ?40～25 ℃ 兩種溫度循環(huán)區(qū)間，有水浸泡和無水2種環(huán)境條件下的損傷衰減趨勢后，采用下面的關系式來描述損傷函數Dn：

式中：a?tan(b?n)、 e(c/(d+s))分別表示高低溫循環(huán)周次及外部荷載水平對損傷的影響；a、b高低溫循環(huán)系數；n為高低溫循環(huán)周次；c、d為應力影響系數；s外加載的應力比值。

首先考慮荷載對Dn的 影響。令H=a?tan(b?n)，則式（12）變?yōu)镈n=H?e(c/(d+s))，根據上節(jié)中高低溫循環(huán)-濕度-荷載耦合作用后拉伸強度的實驗結果，分別對 ?40～40 ℃ 有水、?40～40 ℃ 無水、?40～25 ℃ 有水、?40～25 ℃ 無水4種工況在同一循環(huán)周次下不同加載水平的拉伸強度損傷值進行多元線性擬合，標定出不同循環(huán)次數相應的系數H，系數值和相關系數見表3。

表3 軟件擬合系數Table 3 Software fit factor

然后確定循環(huán)系數。把表3中的H代入式H=a?tan(b?n)進行分析，采用同樣的非線性擬合方法，得到高低溫循環(huán)系數a、b，然后將表3中每一種工況下不同循環(huán)周次對應的c、d值求平均值即得到應力影響系數，如表4所示。

表4 應力影響系數Table 4 Stress influence coefficient

綜合上述兩個方面，即得到了式(12)損傷函數表達式中的所有系數a、b、c、d，再將式(12)代入式(11)，得到EP-CFRP復合材料在不同工況下的循環(huán)剩余抗拉強度的累積損傷模型，如表5所示。

根據表5中各工況相應的損傷模型計算得到的剩余抗拉強度值和實驗值結果的對比如圖12所示。

由圖12可見，根據表5中損傷模型計算得到的剩余抗拉強度值和實驗結果基本吻合，其有效性得到驗證。因此，本研究提出的損傷模型可以用來預測環(huán)氧樹脂基碳纖維增強復合材料在高低溫循環(huán)-濕度-荷載三因素耦合作用后的抗拉強度。

圖12 不同工況下，EP-CFRP在不同隨循環(huán)次數下的剩余抗拉強度 （a）?40～40 ℃有水；（b）?40～40 ℃無水；（c）?40～25 ℃有水；（d）?40～40 ℃無水；Fig. 12 Residual tensile strength versus high and low temperature cycles under different conditions （a） ?40-40 ℃+soak；（b）?40-40 ℃+anhydrous；（c）?40-25 ℃+soak；（d）?40-40 ℃+anhydrous

表5 損傷模型Table 5 Damage model

4 結論

（1）“高低溫循環(huán)-濕度”雙因素耦合作用后及“高低溫循環(huán)-濕度-荷載”三因素耦合作用后，EP-CFRP拉伸強度隨高低溫循環(huán)周期增大整體呈現(xiàn)先降低再升高再降低的變化趨勢；但是拉伸強度的峰谷值出現(xiàn)時對應的循環(huán)周次相差較大。荷載的耦合作用削弱了EP-CFRP的拉伸強度。所有過程中，濕度及荷載水平對EP-CFRP的拉伸模量值影響較小。

（2）樹脂基體與纖維界面產生的微裂紋是導致材料后期強度降低的主要原因，濕度、荷載的耦合作用促進裂紋的擴展，明顯削弱了樹脂基碳纖維復合材料的拉伸性能。

（3）基于累積損傷理論及非線性擬合方法，標定了EP-T700CFRP復材板在 ?40～40 ℃ 和 ?40～25 ℃ 兩種溫度循環(huán)區(qū)間，有水浸泡和無水兩種環(huán)境條件下的損傷函數，獲得了合理的剩余強度預測模型。