玻纤增强环氧树脂复合材料的酸雨循环老化性能与机理

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玻纤增强环氧树脂复合材料的酸雨循环老化性能与机理
2007年 5月
玻纤增强环氧树脂复合材料的酸雨循环老化性能与机理
詹茂盛 , 刘德顺
(北京航空航天大学材料科学与工程学院 , 北京 100083) 摘要 : 针对潮湿和酸雨多发地域的航空器复合材料老化问题 ,模拟酸雨和湿热 (普通热水 )环境 ,研究了单向玻纤增强环 氧树脂复合材料 (UGFREC)在酸雨和湿热环境下的吸湿 2干燥循环老化行为 ;分析了不同循环次数下的 UGFREC的吸水动力 学 ;采用力学测试装置 、热力学分析装置和扫描电镜 ,分别表征酸雨和湿热循环老化前后 UGFREC的弯曲性能 、层间剪切性能 、 冲击强度 、动态粘弹性 、玻璃化转变温度和冲击破坏形貌 ;初步给出反映酸雨和湿热循环过程中基体树脂与纤维间的界面应力 变化模型 。 关键词 : 酸雨循环老化 ; 玻璃纤维 ; 环氧树脂 ; 复合材料 中图分类号 : TB332 文献标识码 : A 文章编号 : 1003 - 0999 (2007) 03 - 0028 - 06
FRP /CM 20071No13
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玻纤增强环氧树脂复合材料的酸雨循环老化性能与机理
2007年 5月
k / gg - 1 s - n
n
first cycle
1. 28 ×10 - 3 0. 505 1. 25 ×10 - 3 0. 495
second cycle
1. 21 ×10 - 3 0. 509 1. 18 ×10 - 3 0. 499
third cycle
1. 07 ×10 - 3 0. 517 1. 05 ×10 - 3 0. 507
式 [ 13 ] : ①n = 1 /2 时 ,水的扩散为 Fick 扩散 ,扩散速 率小于聚合物链段的运动速度 ,聚合物的吸水很快 达到平衡 ,且不随时间变化 ; ②n ≥1 时 ,水的扩散 为 Super扩散 ,渗入物的迁移率大于基体的松弛过 程 ,这种扩散由外部聚合物的溶胀结构与内部聚合 物的玻璃态结构间的界面确定 ,该界面向中心发展 , 内部聚合物的玻璃态结构尺寸减小 ,直至整个聚合 物吸水平衡 ; ③1 /2 < n < 1时 ,水的扩散为不规则扩 散 ,渗入物迁移率与聚合物链段的松弛相近 ,是 ①和 ②的中间形式 。
×2. 5mm。力学性能采用 CM T25105 型弯曲试验机 测试 ,加载速度为 1mm /m in,弯曲实验试样尺寸为 60 ×12. 5 ×2. 5mm ,层间剪切试样尺寸为 30 ×6 × 2. 5mm。热力学性能采用 DM TA 2IV 型动态力学分 析仪 , 升 温 速 度 为 5℃ /m in, 试 样 尺 寸 40 ×5 × 2. 5mm。
明两者拟合性较好 。 鉴于上述研究 ,本文主要针对酸雨和潮湿多发
地域航空器复合材料的老化问题 ,模拟酸雨和湿热 (普通热水 )环境来研究单向玻璃纤维增强环氧树 脂复合材料 (UGFREC)酸雨和湿热循环老化过程中 的吸水动力学行为 ;采用力学测试装置 、热力学分析 装置和扫描电镜 ,分别表征酸雨和湿热循环老化前 后 UGFREC的弯曲性能 、层间剪切性能 、冲击强度 、 动态粘弹性 、玻璃化转变温度和冲击破坏形貌 ;初步 给出反映酸雨和湿热循环过程中基体树脂与纤维间 的界面应力变化模型 。
表 1 不同循环次数下吸水过程的 k和 n的值 Table 1 Value of k and n during moisture absorp tion
under different cycles
Cycle Number
Acid rain aging
k / gg - 1 s - n
n
Hygrothermal aging
随着大气污染的加剧 ,全球大部分地区都出 现严重的酸雨现象 ,加速常年暴露在户外环境的 复合材料航空器件的老化和寿命 ,因此研究复合 材料酸雨 循 环 老 化 行 为 是 一 项 很 有 实 际 意 义 的 工作 。目前 ,研究湿热老化聚合物基复合材料的 文献较多 ,而酸雨循环老化复合材料的研究文献 尚未公开 ,并且关于湿热循环老化复合材料的文 献也较少 。关 于 聚 合 物 基 复 合 材 料 湿 热 老 化 的 现有文献 主 要 是 对 吸 水 扩 散 模 型 [ 1~3 ] 的 研 究 和 湿热老化 力 学 性 能 [ 4, 5 ] 及 热 性 能 [ 2, 6 ] 的 研 究 。 J. Jed id i等 [ 7 ]通过加速的湿热循环设计模拟了超音 速飞行器上聚合物基复合 ,材料的服役状态 ,通 过用低频循环过程模拟高频循环过程 ,有效地估 计材料服役状态 ,根据 F ick扩散第二定律结合实 验结果计 算 出 了 经 历 不 同 循 环 条 件 下 复 合 材 料 内部水浓度分布轮廓图 ; B. L. L ee等 [ 8 ]研 究了 湿 热循环对 玻 纤 增 强 氰 酸 酯 树 脂 复 合 材 料 的 板 内 剪切性能 影 响 。通 过 测 试 该 复 合 材 料 重 量 的 变 化和层间 剪 切 强 度 保 留 值 的 变 化 研 究 了 该 复 合 材料的湿热循环老化性能 ,显微镜观察发现树脂 基体与纤 维 之 间 的 界 面 粘 结 被 削 弱 了 。他 们 提 出了两个疲劳破坏模式 : ①大多数基体与纤维表 面处的局部裂纹沿着纤维方向增长 ; ②不同铺层 之间的分层与增强 体 铺 层 方 向 有 关 。B. Q i等 [ 9 ] 总结了可 预 测 经 历 冲 击 和 湿 热 循 环 后 碳 纤 维 增 强环氧树脂复合材料残余强度的经验公式 ,并用 一复合函数预测板内应力分布 ,测试了复合材料 循环老化后的硬度 ,比较实验结果和预测结果表
为求出式 (2)中的 k和 n的值 ,将式 ( 2)变形得 到式 (3) :
log (Q t /Q∞ ) = log k + n log t
(3)
结合实验数据和公式 ( 3) ,可将不同吸湿 2干燥
循环次数的 UGFREC 吸湿程度与时间的对数关系
由图 2所示 。
图 1 含湿率与吸湿 2干燥循环数间的关系 Fig. 1 Relationship between adsorp tion2desorp tion
1 实 验
实验原材料为环氧树脂 W SR618 和 HS2 号高 强度玻璃纤维 ,均属国产 。试样采用浸渍单向铺层 法及模压成型工艺制备 。模压条件为 70℃保压 2h →80℃保压 2h。吸湿实验利用温控精度为 ±0. 5℃ 的水浴锅控制老化温度在 60℃,脱湿实验利用真空 烘箱控制温度在 60℃,用精度为 0. 0001g的电子天 平称量 。模拟酸雨环境类似海南岛酸雨成分 ,即按 硫酸 /硝酸为 3 /2 的比率配制成 pH = 4. 7 的水溶 液 。试样在酸雨环境老化 2d,提出试样在真空烘箱 中干燥 2d,为一个酸雨循环 。试样尺寸为 110 ×50
1 力学性能 表 2为 UGFREC 的弯曲强度 、弯曲模量 、剪切
强度和冲击强度随酸雨吸湿 2干燥 、湿热吸湿 2干燥 循环老化次数变化的规律 。
分析表 2 可知 , ①酸雨和湿热条件下 UGFREC 弯曲强度 、弯曲模量 、剪切强度和冲击强度均随循环 老化次数的增加而降低 ,且开始时降低速度快 ,后来 降低速度缓慢 ; ②与干态相比 ,湿态下的弯曲强度 、 弯曲模量 、剪切强度和冲击强度降低程度大 ; ③与湿 热循环老化 UGFREC相比 ,酸雨循环老化的干态和 湿态 UGFREC弯曲强度 、弯曲模量 、剪切强度和冲 击强度低 ; ④酸雨和湿热老化 UGFREC 再经干燥 后 ,其弯曲强度 、弯曲模量 、剪切强度和冲击强度有 所提高 ,但回复不到初始态各自的相应值 。
由图 2可知 ,随吸湿循环次数的增加 ,酸雨老化 和湿热老化 UGFREC的吸湿速率均有增加趋势 ,但 两者相差不大 ;随时间的延长 ,两者的吸湿速率在开 始阶段增加较快 ,最终均趋于平衡 。
根据图 2 的曲线外推拟合 ,可确定式 ( 3 )中 的 n和 k在酸雨环境和湿热环境下各自的数值如 表 1 所示 。由表 1 可知 ,无论是酸雨老化还是湿 热老化 ,随循环数的增加 , n值均逐渐增大 ,但酸 雨老化时的 n值较大 。这说明酸雨老化 U GFR EC 的吸水速 率 较 大 。两 种 老 化 的 n 值 比 较 表 明 其 吸水速率 相 差 较 小 。由 于 树 脂 与 纤 维 间 的 湿 膨 胀系数不同 ,吸湿和脱湿过程中界面处引发内应 力 ,吸湿和干燥循环将促进内应力的产生 ,致使 复合材料内部产生缺陷 [14 ] ,反 则进一 步加速 复 合材料的吸湿 。文献 [ 11 , 12 ]表明 n 值接近 015 时 ,复合材料的吸湿率和脱湿率与时间的平方根 成正比关系 ,即吸湿或脱湿扩散基本符合 F ick扩 散模式 。从表 1 中的 n 值可以看出 ,该复合材料 在这两种 吸 湿 老 化 环 境 下 的 吸 湿 过 程 都 基 本 符 合 F ick扩散模式 。其次 ,在这两种吸湿老化环境 下 ,随循环次数的增加 ,其 k值均有所降低 ;在相 同循环数下 ,酸雨环境下的 k值大于湿热环境下 的 k值 。这说明 酸 雨 环 境 促 进 了 聚 合 物 链 段 与 水分子间的相互作用 [ 15 ] 。
2007年第 3期
玻 璃 钢 /复 合 材 料
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2 结果与讨论
1 吸湿率
吸湿率按式 (1)计算 :
Mt
W =
t
Βιβλιοθήκη Baidu- W0
W0
×100 %
(1)
式中 , M t 为 U GFR EC的吸湿率 ; W t 为吸水时
间 t时的试样重量 ; W 0 为 U GFR EC试样的起始重
量。
图 1表示酸雨和湿热老化条件下 ,不同吸湿 2干 燥循环次数对 UGFREC 含湿率的影响 。由图 1 可 知 ,无论是在酸雨老化条件下还是在湿热老化条件 下 ,随吸湿次数的增加 ,每次循环吸湿阶段的含湿率 总比前一吸湿阶段的含湿率大 ,每次脱湿阶段的含 湿率也比前一脱湿阶段的含湿率大 ,但两者的增加 速度均逐渐减慢 。另外 ,无论是干态还是湿态环境 , 酸雨老化 UGFREC 的含湿率均大于普通湿热老化 UGFREC的含湿率 。
cycle number and percentage of moisture weight
1 吸湿和脱湿动力学 文献 [ 10~12 ]通过吸水程度与时间的关系研
究了聚合物树脂的吸水动力学 ,式 ( 2 )中的 k 和 n 表示吸水动力学参数 :
Q t = k tn
(2)
Q∞
式中 , Q t 为时间 t时刻的吸水量 ; Q ∞为平衡吸
收稿日期 : 2006209204 作者简介 : 詹茂盛 (19542) , 男 , 教授 , 博士 。
FRP /CM 20071No13
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fifth cycle
1. 02 ×10 - 3 0. 521 0. 99 ×10 - 3 0. 510
eighth cycle
0. 97 ×10 - 3 0. 524 0. 94 ×10 - 3 0. 514
twelfth cycle
0. 91 ×10 - 3 0. 528 0. 88 ×10 - 3 0. 517
水量 ; t为吸水时间 ; k 为聚合物与水之间的相互作
用的特征常数 ; n为反映树脂吸水机理的参数 ,它反
映吸水扩散过程中的 Fick扩散模式和非 Fick扩散
模式 。
根据 n 值的大小 , 水的扩散行为分为 3 种方
图 2 吸水程度与时间和循环数间的关系 Fig. 2 Relation ship between moisture adsorp tion to time and cycle number
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