無人機結構復合材料在海洋環(huán)境下的強度退化研究*

程 文，曹 巖

(西安工業(yè)大學 機電工程學院，西安 710021)

近年來，由于無人機在海洋工程領域得到了廣泛應用[1-3]。大多數(shù)研究人員認為，無人機所使用的復合材料在海洋環(huán)境的老化，如基體塑化、樹脂水解、界面脫黏和應力腐蝕等，都是由水分擴散引起的[4-5]。這些老化現(xiàn)象的發(fā)生導致基體材料無法有效地在增強纖維之間傳遞載荷[6]，從而影響復合材料的強度。因此，研究復合結構在惡劣條件下的吸濕性和力學行為具有重要意義。本研究將無人機結構復合材料的拉伸、壓縮和彎曲試樣浸入60 ℃的人造海水中進行60 d老化試驗。分別使用老化時間[7-8]和吸濕率[9]為主要變量的經(jīng)驗模型來描述復合材料在老化過程中的強度退化行為。采用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)對失效試樣進行觀察，觀察無人機結構復合材料在失效過程中的微觀結構變化。文中測定海水環(huán)境下復合材料的拉伸、壓縮和彎曲強度退化情況，為其結構強度提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗方法

試驗用的無人機結構復合材料為玻璃纖維/環(huán)氧樹脂層合板，采用真空袋成型工藝制造。將單向無堿玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂預浸料(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)測試要求，三種試樣的尺寸見表1。

表1 復合材料力學試樣尺寸

處理后的試樣放入真空干燥箱中進行完全脫濕。將脫濕后的樣品浸入60 ℃質量分數(shù)為5%的NaCl溶液中浸泡60 d。在老化試驗過程中，使用精度為0.1 mg的分析天平跟蹤測量試樣的質量。三點彎曲試驗在量程范圍為2 kN的Instron5848微力試驗機上進行，而拉伸和壓縮試驗在100 kN的電子萬能試驗機上進行。所有試驗均以1 mm·min-1的位移速率進行。通過稱重和力學試驗，得到各批次試樣不同浸泡時間的水分含量和力學性能，以確定復合材料在海洋環(huán)境條件下的性能退化情況。為了評估環(huán)境條件造成的復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程中試樣的微觀結構變化。

2 吸濕特性分析

復合材料的吸濕行為通過監(jiān)測試樣在60 d浸泡試驗期間的平均水分含量來研究。試樣質量的測量精度為0.1 mg。試樣浸泡一段時間t后的水分含量為

(1)

式中：Wd為浸泡前測得的干試樣質量；Wt為老化試驗期間測得的老化試樣質量。由于特殊的微觀結構，復合材料中的吸濕行為比均質材料更復雜，但在大多數(shù)情況下，菲克擴散定律可以很好地描述復合材料的吸濕特性[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時刻的含水量；h為試樣厚度；t為浸泡時間；Dz為復合材料的擴散率，即

(3)

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

(4)

試件在老化過程中水分含量隨時間的分布如圖1所示，在試驗的最初的100 h內，試樣吸濕率保持快速上升趨勢。接下來的100 h內，漲幅明顯放緩，到了300 h，吸濕率逐漸趨于穩(wěn)定。當試驗進行至800 h，試件達到飽和吸濕狀態(tài)。

圖1 拉伸、壓縮和彎曲試樣的吸濕率-時間曲線

3 復合材料強度退化經(jīng)驗模型

在拉伸、壓縮條件下，試件破壞時的極限應力為

(5)

式中：Pmax為試件破壞時試驗機獲得的極限載荷；b、h分別為試樣的寬度和厚度。

在三點彎曲載荷作用下，試件破壞時的極限應力為

(6)

其中D為試樣中心在三點彎曲載荷作用下的撓度位移。

浸泡時間t下PB模型[7]的老化強度特性為

σ(t)=(σ0-σ∞)e(-t/τ)+σ∞，

(7)

式中：σ0為干態(tài)強度；σ∞為平衡吸濕率下的老化強度；τ為隨溫度變化的特征時間。對力學試驗數(shù)據(jù)進行擬合，結果如圖2所示。

圖2 試樣強度與老化時間的擬合曲線

通過在不同溫度下進行老化測試，發(fā)現(xiàn)層合板的拉伸強度和模量是吸濕率的函數(shù)，與環(huán)境溫度無關。PS模型[9]的老化強度特性為

P=a(1-e-be-cM)+d，

(8)

式中：a、b、c和d為經(jīng)驗常數(shù)；M為材料吸濕率。經(jīng)分析后得到相應的強度退化曲線，如圖3所示。初始階段的吸濕率變化并未直接導致復合材料的強度下降，當吸濕率達到一定的臨界值，強度開始下降。

圖3 試樣強度與吸濕率的擬合曲線

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

表2 PB經(jīng)驗模型的擬合參數(shù)

表3 PS經(jīng)驗模型的擬合參數(shù)

4 微觀結構

為了研究人工海水對復合材料的老化效應，需要對失效試樣的斷裂面進行顯微觀察。使用掃描電子顯微鏡觀察復合材料破壞區(qū)域的微觀結構特征。

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，玻璃纖維被樹脂基體很好地覆蓋，損傷主要發(fā)生在樹脂基體上。經(jīng)過10 d的老化試驗，如圖4(b)所示，復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，但并沒有造成明顯的強度下降。在這個階段，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。當老化試驗進行到30 d時，老化試樣的形貌發(fā)生了顯著變化。在這個階段，不可逆的化學降解在老化中起了主要作用。同時，聚合物基體受到結合水分子的影響，發(fā)生斷鏈、交聯(lián)、水解和塑化。樹脂基體的力學性能因水解和塑化而發(fā)生變化，樹脂在失效區(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，樹脂殘留少。試件已達到飽和吸濕階段，水分子已滲透整個層板。水分子對樹脂基體和纖維/樹脂界面產生破壞性的影響。

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)歷了類似的老化過程。比較圖5(a)和圖5(b)，纖維拔出痕跡表明纖維與基質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 論

將無人機結構復合材料試樣浸入60 ℃的人造海水中浸泡60 d，對海水條件下復合材料的強度退化進行研究，得到結論為

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

2) 使用PB模型和PS模型分析復合材料的強度退化。結果表明，兩種模型均與實驗數(shù)據(jù)具有良好的相關性。PB模型的優(yōu)點是所使用的參數(shù)變量很容易捕獲，但該模型側重于長期性能預測，缺乏對強度退化初始階段的預測能力。相反，PS模型雖然受飽和吸濕量的限制，但對強度退化開始階段更敏感。

3) 對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初期迅速增加，但復合材料的微觀結構并沒有發(fā)生明顯變化。當達到臨界含水量時，樹脂基體在結合水分子的作用下發(fā)生不可逆的化學變化。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)生和纖維拔出產生的光滑表面得到證明。