碳纤维对环氧树脂材料耐湿热老化影响

0引言

近年来,先进树脂基复合材料因具有高的强度、刚度和优异的耐腐蚀性能,在航空航天等工业中得到了广泛应用。尽管树脂基复合材料具有优良的耐腐蚀性能,但最近研究表明,它在一定的温度、湿度、紫外光等条件下也会发生腐蚀使其力学性能降低[1-2],其中湿热老化是树脂基复合材料的主要腐蚀失效形式[3-6]。湿热环境对树脂基复合材料性能的影响主要是通过对树脂基体、增强纤维以及树脂/纤维粘接界面产生不同程度的破坏而产生的。温度变化容易产生热应力损伤,吸湿结晶则易导致裂纹扩展、基体降解等问题,使材料使用寿命降低。因而树脂基复合材料的使用寿命成为该材料使用中的主要问题。目前,由于T300碳纤维价格昂贵,大大增加了T300碳纤维复合材料的生产成本。为了降低成本,满足目前碳纤维复合材料的市场需求以及进一步扩大碳纤维复合材料的应用,选择一种价格相对低廉的碳纤维作为T300的替代品显得非常迫切。T700碳纤维就是一种很好的替代产品,其价格仅为T300的1/10[7]。

老化试验是评价和研究各种材料在一定环境下的耐老化性能和老化规律的一种手段[8-11]。老化试验方法可分为两类:(1)自然老化试验,即利用自然环境条件或自然介质进行试验;(2)加速老化试验,即利用人工方法,在室内或设备内模拟近似于大气环境条件或某种特定的环境条件,并强化某些因素,以期在较短时间内获得结果。作者针对某树脂基复合材料部件在制造车间、产品库房和露天条件三种湿热老化环境中,对T700碳纤维/环氧树脂基和T300碳纤维/环氧树脂基复合材料以及两种复合材料与金属胶接结构进行湿热加速老化试验,并对老化前后的材料进行了力学性能试验和无损检测。

1试样制备与试验方法

1.1试样制备

试验材料为T700碳纤维/环氧树脂基和T300碳纤维/环氧树脂基预浸带制成的复合材料试板,其中两种碳纤维的体积分数名义值均为60%。分别按ASTMD3039,ASTMD6641,ASTMD790,ASTMD2344,ASTMD3518和ASTMD1002-2005的要求加工出纵向和横向拉伸试样、纵向和横向压缩试样、纵横剪切试样、弯曲试样、层间剪切试样以及复合材料/金属胶接结构剪切试样。其中,复合材料/金属胶接结构无损检测试样的几何形状及尺寸见图1,剪切试样的几何形状及尺寸见图2。

       由表1可见,湿热老化对T700碳纤维/环氧树脂基复合材料(简称T700复合材料)力学性能的影响不大,与未老化试样的力学性能相比,老化后除纵向和横向压缩强度有所降低(保持率分别为88.6%和83.4%)外,其他各项力学性能均没有明显的降低。与未老化试样性能相比,加速老化70d后试样的纵向拉伸强度和纵向拉伸模量分别提高了7.2%和9.2%,横向拉伸强度和横向拉伸模量分别提高了13.8%和5.3%;纵向压缩强度和纵向压缩模量分别降低了11.4%和3.6%,横向压缩强度降低了16.6%,而横向压缩模量提高了1.4%;纵横剪切强度和纵横剪切模量分别提高了5.0%和11.8%。2mm和3mm厚弯曲试样的弯曲强度和弯曲模量均比未老化时有所提高,其中弯曲强度分别提高了2.9%和1.0%,弯曲模量分别提高了4.6%和9.4%。与未老化试样相比,2mm和3mm厚试样的层间剪切强度分别提高了12.7%和0.6%。

3结论 

       (1)T700碳纤维/环氧树脂基复合材料在加速老化70d后,除纵向压缩强度和横向压缩强度分别降低11.4%和16.6%外,老化没有使其他力学性能明显降低,有的反而有所提高。

(2)T300碳纤维/环氧树脂基复合材料在加速老化70d后,除纵向和横向压缩强度有明显降低外(降低幅度小于30%),其他力学性能没有明显降低,有的反而有所提高。

(3)对于两种复合材料/金属胶接结构,加速老化70d不会导致胶接界面产生损伤,但使胶粘剂剪切强度降低了大约13%。

(4)T700碳纤维/环氧树脂基及T300碳纤维/环氧树脂基复合材料在老化前的性能基本相当,在湿热老化70d后前者的力学性能保持率优于后者的,因此用T700碳纤维/环氧树脂基复合材料替代T300碳纤维/环氧树脂基复合材料是可行的。