复合材料湿热老化行为研究及其耐久性预测
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环境 同样会通 过 水 解 反应 和化 学反 应 等 方 式 ， 使 界
各 种 环境对 玻璃纤 维增 强复 合材料 性 能 的影 响
各不 相 同 。Ｎ ａ ｋ ａ ｉ 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 ８ Ｏ ℃ 水 中 浸泡 时 间 对 其 吸 水 率 及 力 学 性 能 的影 响 。结 果 表
２ ８
复 合 材料 湿 热 老化 行 为研 究及 其 耐 久 性 预 测
复合材 料湿 热 老化 行 为研 究及 其耐久 性预 测
孙 博 ，李 岩
（ 同济 大 学 航 空航 天 与力 学 学 院 ，上 海 ２ ０ ０ ０ ９ ２ ）
摘 要 ：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 Ｆ ｉ ｃ ｋ ｉ ａ ｎ扩散 定律 ， 在 湿热老化后期 材料 增重率 出现偏 离 Ｆ ｉ ｃ ｋ ｉ ａ ｎ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
Ｆ Ｒ Ｐ ／ Ｃ Ｎ ￣ｉ ３ Ｎ ｏ ． ４
如 材料 表 面 的 不 同 以 及 边 缘 粗 糙 度 等。 Ｇ ｕ ｐ ｔ ａ等 人 Βιβλιοθήκη Baidu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
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
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 ，
念， 拟 合 结 果 与 实测 值 较 为接 近 。
关键 词 ：复合材料 ；湿热老化 ；吸水行 为 ；力学性 能；耐 久性
中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｂ ３ ３ ２ 文 献标 识码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３— ０ ９ ９ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ ０ ２ ８— ０ ７
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
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
料应用较为广泛 Ｊ 。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
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～ ８ ｈ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 。
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 。因此 ， 研 究 纤
作 了诸 多研 究 。例 如 ， 法国 Ｄ ａ ｖ ｉ ｄ等人 ¨ 将 老化 程
度用 的变化来描述 ， 建立降解过程 的老化模型 ，
但此 模型仍 需继续 修正 以满 足实 际需求 。还 有一 些
２ ０１ ２ ８ － ３ ０ 收稿 日期 ： 基金项 目： 国家 自然科学基金 （ １ ０ ８ ７ ２ １ ４ ９ ） 作者简介 ： 孙博 （ １ ９ ８ ５ 一 ） ，女 ，硕 士研 究 生 ，主 要 从 事玻 璃 纤 维 复 合 材 料 老 化性 能方 面 的研 究 。 １ ９ ７ １ 一 ） ，女 ，教授 ，博士生导师 ，主要从事先进复合材料工艺 、性能与表征 ，ｌ ｉ ｙ ａ ｎ ＠ｔ ｏ ｎ ｇ ｊ ｉ ． ｅ ｄ ｕ ． Ｃ Ｒ 。 通讯作者 ： 李岩 （
化—— 老 化行为 ， 意义 重大 。
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
各 种 环境对 玻璃纤 维增 强复 合材料 性 能 的影 响
各不 相 同 。Ｎ ａ ｋ ａ ｉ 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 ８ Ｏ ℃ 水 中 浸泡 时 间 对 其 吸 水 率 及 力 学 性 能 的影 响 。结 果 表
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复 合 材料 湿 热 老化 行 为研 究及 其 耐 久 性 预 测
复合材 料湿 热 老化 行 为研 究及 其耐久 性预 测
孙 博 ，李 岩
（ 同济 大 学 航 空航 天 与力 学 学 院 ，上 海 ２ ０ ０ ０ ９ ２ ）
摘 要 ：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 Ｆ ｉ ｃ ｋ ｉ ａ ｎ扩散 定律 ， 在 湿热老化后期 材料 增重率 出现偏 离 Ｆ ｉ ｃ ｋ ｉ ａ ｎ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
Ｆ Ｒ Ｐ ／ Ｃ Ｎ ￣ｉ ３ Ｎ ｏ ． ４
如 材料 表 面 的 不 同 以 及 边 缘 粗 糙 度 等。 Ｇ ｕ ｐ ｔ ａ等 人 Βιβλιοθήκη Baidu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
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
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 ，
念， 拟 合 结 果 与 实测 值 较 为接 近 。
关键 词 ：复合材料 ；湿热老化 ；吸水行 为 ；力学性 能；耐 久性
中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｂ ３ ３ ２ 文 献标 识码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３— ０ ９ ９ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ ０ ２ ８— ０ ７
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
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
料应用较为广泛 Ｊ 。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
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～ ８ ｈ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 。
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 。因此 ， 研 究 纤
作 了诸 多研 究 。例 如 ， 法国 Ｄ ａ ｖ ｉ ｄ等人 ¨ 将 老化 程
度用 的变化来描述 ， 建立降解过程 的老化模型 ，
但此 模型仍 需继续 修正 以满 足实 际需求 。还 有一 些
２ ０１ ２ ８ － ３ ０ 收稿 日期 ： 基金项 目： 国家 自然科学基金 （ １ ０ ８ ７ ２ １ ４ ９ ） 作者简介 ： 孙博 （ １ ９ ８ ５ 一 ） ，女 ，硕 士研 究 生 ，主 要 从 事玻 璃 纤 维 复 合 材 料 老 化性 能方 面 的研 究 。 １ ９ ７ １ 一 ） ，女 ，教授 ，博士生导师 ，主要从事先进复合材料工艺 、性能与表征 ，ｌ ｉ ｙ ａ ｎ ＠ｔ ｏ ｎ ｇ ｊ ｉ ． ｅ ｄ ｕ ． Ｃ Ｒ 。 通讯作者 ： 李岩 （
化—— 老 化行为 ， 意义 重大 。
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