复合材料湿热老化行为研究及其耐久性预测

       本文研究了湿热老化环境对复合材料吸湿性能的影响，分析了材料弯曲强度、弯曲模量随老化时间的变化关系。研究结果表明，在湿热老化初期，材料吸湿变化满足Fickian扩散定律，在湿热老化后期材料增重率出现偏离Fickian定律的现象；随湿热老化时间的增加，复合材料的弯曲强度、弯曲模量均有不同程度的下降，并且在湿热老化后期复合材料弯曲强度受界面性能的影响显著。建立了复合材料力学性能与湿热老化时间的定性／定量关系，在耐久性预测模型中引入界面参数的概念，拟合结果与实测值较为接近。

       近年来，纤维增强树脂基复合材料以其高比强度、高比模量、低密度、耐腐蚀以及结构可设计等特点，在机械、汽车、化学、航空宇航、建筑、土木工程、风力发电等领域内得到大规模的应用，其用量及重要性逐年上升。其中以玻璃纤维增强树脂基复合材料应用较为广泛‘-司。复合材料的性能特点使得它们多被作为起承载作用的结构材料来使用，因此力学性能对于结构材料来说至关重要。力学性能的下降可能导致整个结构的破损甚至失效。因此，研究纤维增强复合材料在典型环境下的力学性能变化——老化行为，意义重大。

      各种环境对玻璃纤维增强复合材料性能的影响各不相同。Nakai等人以环氧树脂为基体，玻璃纤维织物为增强材料，研究了复合材料在80℃水中浸泡时间对其吸水率及力学性能的影响。结果表明，所有复合材料的吸水率均随着浸泡时间的延长而逐渐增加，并且在起初的0 -8h时快速吸水，之后趋缓或不变，高温吸水率总是高于低温时的吸水率。这是因为高温会使水分子加速扩散，从而加速了材料的老化。文章作者认为在理想情况下，水分子在材料中的扩散以费肯定律为依据，并且假设测试试样的六个面都是均一的、等同的，但实际情况并非完全如此。水分子的进入会受到多方面因素的影响，如材料表面的不同以及边缘粗糙度等。Gupta等人圈采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料为研究对象，在不同的边缘、织物形式、载荷和温度条件下进行测试，提出一种与材料边缘和表面有关的非线性吸水行为的模型。该模型考虑了材料吸水膨胀、表面粗糙度、表面织物形式、热梯度及层间吸水对材料吸水速率的影响，此模型较传统模型更接近真实情况。在湿热环境下，水分子的扩散引起材料内部的膨胀应力，温度则引起相应的热应力。膨胀应力、水分子的扩散和热应力三者协同作用，引起复合材料的几何约束，进而导致了材料内部残余应力的产生。本质上说，环境的作用引起纤维与基体间性能的不匹配，使残余应力在很小的范围内形成。另外，湿热环境同样会通过水解反应和化学反应等方式，使界面产生渗透压，造成界面性能的弱化；而化学降解也会造成基体和纤维性能的下降-阍。因此，研究纤维增强复合材料在老化过程中除了要考虑到水分及温度引起的应力，还要考虑到其中发生的化学变化，是揭示降解机理的重要手段。

       在复合材料耐久性模型预测方面，各国学者也作了诸多研究。例如学者司通过对材料进行动态力学分析(DMA），得到材料的储能模量及损耗模量，应用Takayanagi模型‘1司预测复合材料的使用寿命。传统的认识是将复合材料分为纤维、基体和界面三个方面来考虑，而这种Takayanagi模型将复合材料分为两部分来考虑：第一部分为全部的纤维和部分树脂，即指环绕纤维的界面部分的树脂；第二部分为剩余的树脂，也就是间隙树脂。实验证明当应力传递很小的时候，这种模型是比较适用的。另外，根据时温等效原理，可以有效的预测时间温度耦合作用下材料力学性能的变化。但是时间、温度、湿度三者耦合作用下材料的长期性能预测尚不明确.

        传统预测模型应用线性、粘弹性和时韫等效原理，但大多未考虑复合材料一个很重要的方面，即界面性能。老化后期，复合材料破坏模式主要为分层，在后期老化过程中，纤维与树脂基体之间的界面会发生变化，这是导致老化后期材料力学性能下降的重要因素。对于界面性能变化，可以应用复合材料及基体的玻璃化转变温度进行定量分析。因此，结合复合材料的老化失效机理开展长期性能的预测，是非常必要的。

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