環(huán)境溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的影響

楊 康， 丁文喜， 梁 宇*， 李群芳， 張春雨， 王 樂(lè)

(1.遼寧通用航空研究院設(shè)計(jì)部， 沈陽(yáng) 110136； 2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 沈陽(yáng) 110136；3.遼寧銳翔通用飛機(jī)制造有限公司， 沈陽(yáng) 110136)

碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料(CF/EP)具有質(zhì)輕、價(jià)廉和比剛度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天高等科技領(lǐng)域日益受到重視[1-3]。如今民用飛行器的機(jī)身框、儀表箱等結(jié)構(gòu)多使用CF/EP[4]。中國(guó)地理南北維度跨度大，南北方溫度氣候差異較大。因此對(duì)CF/EP在高溫潮濕和低溫干燥環(huán)境的力學(xué)性能的研究日益成為熱點(diǎn)[5]。

目前高溫與低溫性能對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響的相關(guān)因素。中外有許多位學(xué)者有深入的研究分析。外國(guó)的Sethi等[3]從演變?cè)?、界面?qiáng)度和穩(wěn)定性方面對(duì)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)述。Hu等[5]對(duì)運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)在過(guò)冷或結(jié)冰條件下的安全可靠性進(jìn)行了研究，為解決同類(lèi)機(jī)型的適航問(wèn)題提供了一定的參考。中國(guó)的馬如飛等[6]研究發(fā)現(xiàn)在低溫-60 ℃～-82 ℃下，復(fù)合材料及夾芯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨著溫度降低而升高，低溫下樹(shù)脂基和碳纖維的收縮率不同，從而增強(qiáng)界面黏合強(qiáng)度。羅建等[7]研究碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂在不同低溫環(huán)境中暴露不同時(shí)間對(duì)其拉伸性能的影響和損傷機(jī)制，利用掃描電鏡顯微鏡(SEM)發(fā)現(xiàn)其拉伸強(qiáng)度隨低溫暴露時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)。譚偉等[8]設(shè)計(jì)了碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料在80 ℃的環(huán)境下進(jìn)行0、120、240、480、600、和720 h的老化測(cè)試。發(fā)現(xiàn)隨著高溫時(shí)間的增加，樹(shù)脂與碳纖維界面結(jié)合力顯著下降。劉新等[9]研究低溫介質(zhì)液氧和液氮對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂力學(xué)性能的影響，通過(guò)將T700碳纖維和樹(shù)脂基復(fù)合材料在介質(zhì)中低溫處理120 h，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)液氧處理后的碳纖維沒(méi)有損傷，而在液氮的處理后碳纖維有損傷。張利軍等[10]、馮青等[11]、楊旭東等[12]分別從碳纖維/樹(shù)脂基界面損傷、復(fù)合材料老化機(jī)制和吸濕速率方面，研究了不同濕熱環(huán)境對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能影響。

復(fù)合材料的力學(xué)性能與溫度有顯著的關(guān)系，中外對(duì)此問(wèn)題已經(jīng)有了一定的研究；另外，隨著通用航空產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，同時(shí)通用飛機(jī)全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的興起，例如，中國(guó)的RX1E、RX4E，外國(guó)的DA40等飛機(jī)型號(hào)[13]，復(fù)合材料在不同環(huán)境下的力學(xué)性能越來(lái)越受到設(shè)計(jì)和研究人員的關(guān)注?，F(xiàn)以RX4E四座電動(dòng)飛機(jī)上采用的碳纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料為研究對(duì)象，進(jìn)行不同環(huán)境下的力學(xué)性能測(cè)試，由于該型號(hào)飛機(jī)的限制飛行溫度為-54～71 ℃，因此僅分析-54 ℃、25 ℃(室溫)、71 ℃下的溫度環(huán)境對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并利用SEM掃描電鏡觀察研究復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)變化及其損傷機(jī)制，從而為相關(guān)設(shè)計(jì)人員在使用相同材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

碳纖維復(fù)合材料層合板采用的增強(qiáng)纖維為3K碳布(牌號(hào)W-3021FF，光威復(fù)材公司生產(chǎn))；基體環(huán)氧樹(shù)脂由LY 1564 SPT樹(shù)脂和XB 3487固化劑按重量比100∶25配制，采用濕法成型完成復(fù)合材料試驗(yàn)件的制備，室溫固化(22±2)h；試樣均采用[0°/90°]11鋪層。

按照ASTM D3039/D3039M《聚合基混合材料的抗拉性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、ASTM D6641/D6641《用組合載荷壓縮(CLC)固定試驗(yàn)設(shè)備測(cè)定聚合體基復(fù)合材料層壓板壓縮性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》要求，試驗(yàn)樣品的幾何尺寸如圖1所示。為確保試件同源性和時(shí)間有效性，試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行篩選，將表面有瑕疵的試件剔除，保留平整、絲束分布整齊的試件。根據(jù)試驗(yàn)溫度的不同共設(shè)計(jì)了6組(拉伸試樣和壓縮試樣各3組)、每組包含5個(gè)試樣。

圖1 拉伸和壓縮試樣示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在-54、25(室溫)、71 ℃溫度環(huán)境下進(jìn)行，環(huán)境控制采用拉力試驗(yàn)機(jī)配套環(huán)境箱(中科美其科技有限公司生產(chǎn)，型號(hào)MQ-T1050F-1N)，如圖2(a)所示。拉伸和壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)分別按照ASTM D3039/D3039M、ASTM D6641/D6641標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，加載采用位移控制、單向加載，縱向拉伸與壓縮的加載速率分別為2、1.3 mm/min，圖2(b)為Instron 8801的電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)。

圖2 試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

試樣典型破壞形式如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1～表3所示。由圖3可知，試樣的失效形式均有效；同時(shí)由表1～表3可知，每組試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果離散系數(shù)均小于10%，從而證明試驗(yàn)結(jié)果可靠。

表1 71 ℃下試樣力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表2 25 ℃下試樣力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表3 -54 ℃下試樣力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖4為不同溫度下，試樣的平均拉伸/壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由圖4(a)可知，在71、25、-54 ℃溫度情況下，試樣的拉伸強(qiáng)度平均值分別為652.28、780.99、819.20 MPa，碳纖維復(fù)合材料層合板的拉伸性能隨著溫度的升高而降低；試樣的拉伸模量值隨著溫度的降低而增大。由圖4(b)可知，在對(duì)應(yīng)的溫度下，復(fù)合材料試樣的壓縮強(qiáng)度平均值分別為321.01、453.96、581.24 MPa，低溫狀態(tài)下，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度明顯高于其他溫度條件；而高溫狀態(tài)下，復(fù)合材料試樣的壓縮強(qiáng)度較差；同樣，低溫環(huán)境下，試樣的壓縮模量值較大。

圖4 不同溫度下的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 SEM電鏡掃描結(jié)果

圖5為不同環(huán)境溫度下典型失效拉伸試樣斷口SEM圖。對(duì)比圖5(a)和圖5(b)，拉伸試驗(yàn)時(shí)，室溫時(shí)試樣斷口處有少量絮狀樹(shù)脂，樹(shù)脂形態(tài)保存比較完整，有少部分碳纖維脫離樹(shù)脂的包裹，碳纖維整體拔出產(chǎn)生的孔洞幾乎不存在；而在71 ℃高溫環(huán)境下的試樣斷口處絮狀樹(shù)脂量明顯多于室溫情況；同時(shí)，高溫下樹(shù)脂呈現(xiàn)黏稠狀態(tài)，縫隙與孔洞與室溫比較明顯增多，這說(shuō)明環(huán)境溫度上升樹(shù)脂會(huì)因受熱軟化從而造成樹(shù)脂和纖維界面結(jié)合弱化，樹(shù)脂從纖維上脫落，從而對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂與纖維樹(shù)脂界面造成損傷。對(duì)比圖5(b)和圖5(c)可知，在低溫-54 ℃時(shí)，纖維表面的樹(shù)脂附著含量高于室溫情況；低溫情況下，樹(shù)脂分子間的間距變小，作用力變大，樹(shù)脂與試件的纖維黏結(jié)狀態(tài)較好，并且纖維上附著的樹(shù)脂有的形成小的塊狀；另外，低溫環(huán)境下的試件斷口處呈現(xiàn)纖維凝聚成束的樣貌，表面形貌有較多溝壑出現(xiàn)。拉伸試驗(yàn)時(shí)，隨著施加的載荷不斷增大，試件開(kāi)始表面未發(fā)生變化，當(dāng)載荷達(dá)到一定程度時(shí)，拉伸試樣表面邊緣有少量纖維絲剝離斷裂，繼續(xù)加載到最大值時(shí)，拉伸試樣瞬間斷裂，造成試件失效。因此，試件破壞主要是纖維與樹(shù)脂基剝離，纖維達(dá)到拉伸極限強(qiáng)度后斷裂導(dǎo)致。

圖6為不同環(huán)境溫度下典型失效壓縮試樣斷口SEM圖。觀察對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果SEM圖可知，從圖6(c)可以看出，室溫試件破壞的形貌表面比較干凈整潔，纖維光滑，其表面樹(shù)脂附著含量少，試件破壞主要是因?yàn)樵趬毫ψ饔孟吕w維達(dá)到壓縮極限強(qiáng)度斷裂和樹(shù)脂基與纖維剝離導(dǎo)致的。圖6(a)是在71 ℃高溫條件下碳纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料壓縮破壞斷口形貌圖。試件斷口處有許多須狀樹(shù)脂，孔洞明顯多于室溫情況，這表明溫度高，樹(shù)脂基與纖維界面黏合減弱，從而影響碳纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料整體的壓縮極限強(qiáng)度。圖6(b)是在低溫-54 ℃時(shí)，從試件壓縮破壞形貌圖可以看到試件表面含有少量絮狀樹(shù)脂，并且纖維上附著的樹(shù)脂多成塊狀，低溫狀態(tài)下環(huán)氧樹(shù)脂分子鏈發(fā)生轉(zhuǎn)變，模量提高，強(qiáng)度增大，所以在壓縮破壞時(shí)的極限強(qiáng)度提高。壓縮試驗(yàn)時(shí)，試件在開(kāi)始加載時(shí)，表面未發(fā)生變化，當(dāng)載荷達(dá)到一定程度時(shí)，壓縮試樣出現(xiàn)纖維與樹(shù)脂分層現(xiàn)象，持續(xù)加載到最大值時(shí)，壓縮試件瞬間斷裂，試件失效。

3 結(jié)論

以W-3021FF/LY 1564 SPT/XB 3487樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料為研究對(duì)象，并制備標(biāo)準(zhǔn)的拉伸、壓縮力學(xué)性能試樣，然后對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，得到不同溫度下的力學(xué)性能；最后對(duì)試樣斷口進(jìn)行電鏡掃描分析，結(jié)合力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，得到結(jié)論如下。

(1)根據(jù)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，與室溫相比，低溫環(huán)境下復(fù)合材料層合板力學(xué)性能(破壞應(yīng)力、模量)提高，而在高溫環(huán)境下其力學(xué)性能降低。

(2)對(duì)比分析電鏡掃描結(jié)果，在高溫環(huán)境下，樹(shù)脂呈黏稠狀態(tài)，并受熱膨脹影響導(dǎo)致其與碳纖維界面結(jié)合弱化，造成力學(xué)性能降低；低溫環(huán)境下，由于樹(shù)脂的收縮增強(qiáng)了與纖維界面的黏結(jié)，使復(fù)合材料層合板力學(xué)性能得到增強(qiáng)。

(3)為了保證安全性和穩(wěn)定性，樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在實(shí)際工程應(yīng)用中需要采取必要的隔熱措施，或者避免在高溫環(huán)境下的工作狀態(tài)。