湿热老化后碳纤维复合材料层间剪切强度实验方法对比研究

湿热老化后碳纤维复合材料层间剪切强度实验方法对比研究双超;刘璐璐;赵振华;关玉璞;陈伟

【摘要】通过短梁法和双切口法研究湿热老化对T700/TDE-85复合材料层间剪切强度的影响,讨论两者吸湿规律随老化时间的变化关系,并对试件断口形貌进行分析.结果表明:两种试件吸湿规律均符合Fick第二定律,但两者平衡吸湿率和吸湿时间有所差别,双切口法试件的吸湿速率和平衡吸湿率均比短梁法试件高;双切口试件所测层间剪切强度受湿热老化影响比短梁明显,短梁试件每隔500 h层间剪切强度保持率为74.5%,61.0%,53.2%,50.6%,双切口每隔500 h层间剪切强度保持率为60.9%,38.3%,42.6%,33.0%;短梁试件失效模式随着湿热老化时间的增长变化比双切口更为复杂.%The effects of hygrothermal aging on the interlaminar shear strength of T700 /TDE-85 composites were studied by short-beam method and double-incision method.The relationship between moisture absorption and aging time was discussed,and the fracture surface morphology was analyzed.The experimental results show that the moisture absorption law of the two specimens is in accordance with Fickle's second law,but the saturated moisture absorption rate and moisture absorption time are different.The moisture absorp-tion rates and saturated moisture absorption rates of the specimens of double incision method are higher than those of the short beam method.The interlaminar strength of double-incision test is more obvious than that of short-beam under hygrothermal aging conditions, the interlaminar shear strength retention rates of short-beam method's specimens are 74.5%,61.0%,53.2% and 50.6% at 500 h intervals and the interlaminar shear strength retention rates of double-

incision method's specimens are 60.9%,38.3%,42.6% and 33.0% at 500 h intervals.The failure mode of short-beam specimen is more complicated than that of double-incision with the increase of hygrothermal aging time.【期刊名称】《航空材料学报》

【年(卷),期】2017(037)005

【总页数】9页(P90-98)

【关键词】湿热老化;复合材料;短梁法;双切口法;层间剪切强度;失效模式

【作者】双超;刘璐璐;赵振华;关玉璞;陈伟

【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室,南京 210016;南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室,南京 210016;南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室,南京 210016;南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室,南京 210016;南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室,南京 210016;先进航空发动机协同创新中心,南京 210016

【正文语种】中文

【中图分类】TB332

碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)由于比强度高、耐腐蚀、抗疲劳性能好、材料的可设计性好和抗冲击性能优良而广泛应用于航空航天领域[1]。复合材料构件所占质量的百分比已成为飞机结构设计先进性水平的重要指标之一。CFRP在服役期间受到恶劣环境的影响而产生力学性能的降低和复合材料内部损伤，尤其是湿热环境会显著影响材料的力学性能和耐热性能，造成

材料失效或寿命降低[2]，直接影响飞机的安全性能和复合材料在航空结构中的应用。因此，评估碳纤维复合材料航空结构湿热老化后力学行为和损伤发展具有重要意义[3]。

复合材料的湿热老化是经受湿度、温度和应力联合作用而产生的性能退化过程, 是复合材料的主要腐蚀失效形式[4]。湿热环境对复合材料性能的影响主要是通过树脂基体吸湿溶胀、增塑、水解，空穴与微裂纹等缺陷中的水积聚以及树脂/纤维粘接界面的破坏而引起性能的改变[5-6]。CFRP的吸湿过程主要涉及3个方面：水分子在树脂基体中的渗透、扩散；水在孔隙、微裂纹和界面脱粘等缺陷中的聚集；水分子沿纤维/基体界面的毛细作用[7]。

Kumar等[8]研究了不同吸湿时间下复合材料的力学性能，发现复合材料浸泡1个月之后，其纵向拉伸强度下降达25%～30%，继续浸泡强度基本保持不变，横向拉伸强度随着吸湿时间越长下降越多，面内剪切强度呈现先增后减的趋势。高禹等[9]采用短梁法研究浸泡吸湿对T700/3234复合材料层间剪切强度的影响，研究结果表明，复合材料经过240 h的老化后吸湿率为1.15%，层间剪切强度下降了31.7%。李玉玲等[10]通过短梁法研究了碳纤维/聚三唑树脂复合材料在80 ℃、相对湿度98%条件下的层间剪切强度变化规律，发现复合材料层间剪切强度总体上是呈现下降趋势，但在某个时间又有小幅度的上升。

关于层间剪切强度的实验，已有数种方法被采用，但结合到环境影响因素时，CFRP的层间剪切实验采用的大多是短梁法，而双切口方法等用的较少，并缺少不同实验方法的结果对比。本工作利用短梁法和双切口法对同一种CFRP进行层间剪切实验，比较这两种方法所测得的实验值和断口形貌在湿热老化条件的影响下的差异，为复合材料老化后层间特性的评估提供依据。

1.1 试样制备

T700/TDE-85复合材料层合板由无锡威盛碳纤维有限公司生产，铺层方式是