湿热对玻璃纤维复合材料层合板性能的影响

（中航通飞华南飞机工业有限公司，珠海 519040）

玻璃纤维复合材料是由玻璃纤维和树脂组成，具有较高的机械性能及低密度、低成本的特点。该材料在西锐SR2X系列飞机上得到广泛应用。该系列飞机设计的使用环境温度为-53～66℃，由于在飞机使用和维护过程中，复合材料的吸湿不可避免，而且不能很好地用模型模拟。根据美国军用指南MIL-STD-210和MILHDBK-17的规定，合理的飞机设计服役相对湿度（RH）上限值为85% 。试验件在85% RH条件下吸湿达到平衡时，使用这个设计服务吸湿量可以避免数据外推工作。基于西锐CP项目Tencate 7781玻璃布复合材料的等效性试验，现研究在21℃和66℃温度下，经过湿热处理达到吸湿平衡后的材料性能，并和室温干态试样性能对比，分析变化的原因。

1 试验条件和试件吸湿处理

1.1 试验条件

1.1.1 室温干态

室温干态（RTD）：温度（21±3）℃;制造状态的吸湿量RH＜65%。

1.1.2 高温湿态

高温湿态（ETW）：温度（66±3）℃，湿度RH=85%±5% （在85%±5% 和（63±3）℃环境下达到平衡吸湿增重）。

开始试验之前，将环境箱和夹具预热到规定温度；试验件安装后加热到试验所需温度，并用热电偶加以校验，试件加热不超过5min；试验件到达试验温度2min后开始试验；试验中要求试件温度应在要求温度的±3℃范围内。

1.2 试件的吸湿平衡处理

1.2.1 吸湿方法

需要吸湿的试件在吸湿处理前，对试件在（50±3）℃环境下烘干48h，然后再干燥器中冷却至室温，称取试件的干态质量Wb。吸湿按照美国材料试验协会标准（ASTM）ASTM D5229要求，将试件暴露在（63±3）℃， RH=85%±5%的环境中，直至吸湿平衡。

1.2.2 伴随试样

受尺寸和加强片的影响，试件不能直接用来测吸湿量，选用大小为25.4mm×25.4mm，厚度与试样相同的伴随试样来测量其湿热处理过程中质量的增加值。伴随试样与进行力学试验的试样应是从同一个试验板上切割下来的。每一种试验大板上要有3个伴随试样。

1.2.3 吸湿平衡条件

通过跟踪试件的吸湿质量来确定吸湿平衡状态，每一种类型的试样按照上述要求选取3个伴随试样进行跟踪吸湿。

试验环境箱温度63℃、85% RH。每隔7±0.5天，称量并记录伴随件的质量。根据DOT/FAA -AR-03/19《美国交通部联邦航空局聚合物基复合材料体系的材料鉴定与等同性》规定，当连续两次伴随件质量的增加量不超过0.05%时，认为已经达到吸湿平衡，可表示为：

式中，Wi为第i次称量的试样质量；Wi-1为第i-1次称量的试样质量；Wb为试件初始质量。

达到吸湿平衡的试样可以从环境箱取出，和湿巾一起放在密封袋中，直到进行下一步的试验。试件在密封袋中最多放置14天。如果不能在上述时间范围内进行试验，应将试件保存在恒温恒湿的环境箱中。

粘贴应变片在试件达到吸湿平衡之后进行。粘贴应变片时，试件暴露在大气环境中的时间不超过2h。

2 试验设置

2.1 试验材料

试验用材料为玻璃布预浸料，牌号为7781 BT250E-1，其树脂含量为39%，固化单层厚度为0.254mm，生产商为美国Tencate公司。

2.2 试件和试验方法

Tencate 7781玻璃布复合材料层压板试件类型和试验方法见表1。

每种类型的试验，室温干态和高温湿态至少测量8个有效数据（拉伸试样中选取2个测泊松比，Tg试样选取2个测），并计算平均值，本文中的力学性能数据均为平均值。

根据DOT/FAA AR 03/19的要求，拉伸强度和模量及压缩强度和模量等纤维起主导作用的性能，需要使用名义值以减少数据离散性或使其数据保持一致。其他性能数据则不需要。

2.3 试件取样方法

根据DOT/FAA-AR-03/19文件要求开展试验，试样的取样和选择应基于最少2个独立的固化流程，以减少操作过程差异产生的影响。

2.4 试板成型工艺流程

试板成型工艺流程见图1。由于复合材料的孔隙率会影响材料的性能，每块试板都要按照ASTM D3171标准测孔隙率，即通过燃烧从物理上去除基体，从而计算出孔隙体积百分比。根据西锐公司相关规范要求，试板的孔隙率不能超过5%，超过5%的试板需要拒收并需要重新制作大板。

3 试验数据与讨论

3.1 湿热处理过程

湿热处理前，每块试板按照ASTM D3171标准测孔隙率，平均值为0.23%，符合规范要求，不需要重新制作大板。

试件在（63±3）℃，RH=85%±5% 的环境中，经过大概7周的吸湿处理达到平衡。不同试样的吸湿曲线如图2所示。

图1 试板成型工艺流程Fig.1 Panel fabrication process

表1 试件类型和试验方法

从图2中可以看出，随着复合材料外表面吸湿趋向平衡，质量增加随时间变化的斜率持续减小。最后，随着材料的内部达到平衡状态，其后的重量差别趋向于零，趋向的斜率几乎平行于时间轴。Tencate 7781玻璃布复合材料层压板吸湿过程应近似服从于FICK第二扩散定律，但由于本次试验是每隔7天称重一次，而非在早期间隔几h称一次，因此图2中不能体现出FICK扩散定律中早期质量时间之间的线性关系。

3.2 室温干态和高温湿态试件力学性能

按照上文要求,室温干态试件与高温湿态试件分别在常温环境中和高温环境中进行试验。试验结果见表2所示。

从表2中可以看出，玻璃纤维复合材料经过湿热平衡处理后，力学性能发生下降，破坏模式也发生了改变。

以拉伸试验为例，室温干态和高温湿态试件的破坏模式如图3所示。室温干态破坏模式为LIT，高温湿态试件变为LAT。

图2 复合材料吸湿过程Fig.2 Moisture absorption process for composites

由于试样端头加强片处受夹具的夹持，在承受拉伸负荷时，应力比较集中。玻璃纤维作为脆性材料，在断裂过程中缺乏塑性流变特性，集中的应力不易缓和释放，因而只得以裂纹迅速传播和扩展来形成新表面，使集中的应力得以消除，导致断裂。

湿热处理时，拉伸试样带加强片，采用聚乙烯薄膜将加强片区域与浸润环境隔离，避免高温高湿环境影响胶黏剂强度而导致试验时加强片脱落。试样中间部分吸湿，端头未吸湿。基体树脂吸湿后膨胀，严重影响基体的连续性，当有外力作用时,裂纹优先从树脂膨胀处扩展，从而引起材料内部脱粘，基体的塑化和界面的脱粘会削弱基体对纤维的支撑，造成纤维-基体间应力传递的下降，因而吸湿部分材料强度低于未吸湿的夹持部分，再加上夹具的夹持应力传递，试样最终断裂在加强片与试样粘接的端头齐平线部分。

此外，通过检查断裂的各种模式，如图4所示。可以发现复合材料在原始状态下发生的断裂均是不集中于某个部位的，而吸湿平衡后的材料断裂部位是很集中的。这也说明是因为树脂膨胀的差异而引起材料各层间的大量脱粘。

图3 室温干态和高温湿态拉伸试件的破坏模式Fig.3 RTD and ETW tension specimen failure mode

表2 室温干态和高温湿态试件力学性能数据

由于玻璃纤维复合材料是以层结构为基础的，而其层间的结合力相对于纤维强度较为薄弱，湿热处理时，水分子更容易在层间进行扩散。此外，树脂吸水膨胀也造成层间分层和基体开裂，因而面内剪切和短梁剪切性能下降的程度更多。

总体而言，在玻璃纤维增强树脂基复合材料中，玻璃纤维起到增强作用，而树脂基体则使复合材料成型为一承载外力的整体，并通过界面传递载荷于玻璃纤维。湿热处理后树脂吸水，一方面使得增强体与基体的相容性不好、界面不完整，应力的传递面仅为增强体总面积的一部分，导致层间剪切、面内剪切强度降低；另一方面严重影响基体的连续性，使玻纤复合材料发生不可逆的机械老化，如基体开裂、层间分层、纤维断裂、界面脱粘等，因此材料力学拉伸压缩性能降低了很多，同时造成破坏模式的改变。

3.3 室温干态和高温湿态试件的玻璃化转变温度

玻璃化转变温度Tg，是非晶态聚合物从高弹态向玻璃态转变时的温度。采用ASTM D7028试验方法，以动态热机械分析（DMA）方式，通过三点弯曲的方式加载测量Tg。从拉伸试验大板中取试样（干态和85% RH环境平衡吸湿试件各2个）做Tg。试验结果见图5和图6。

材料达到Tg值时，模量会有明显的降低。ASTM D7028是采用动态热机械分析的方式进行，给试样上加载固定频率和加热速率，测量试样模量随温度的变化，规定模量开始明显降低时的温度（曲线作切线）为试样的Tg值。

从图5和6中可以看出，室温干态试件的Tg平均值为103.5℃，高温湿态试件Tg平均值为92.0℃。试件湿热处理后，如上述分析，水分子渗透使树脂溶胀、塑化、降解，界面粘结强度下降，再加上高温条件下纤维和基体之间原有的热膨胀系数的差异，造成玻纤复合材料模量下降，在加载固定频率载荷时Tg降低了11%。这表明高温湿态的玻璃纤维复合材料最高使用温度降低了11%。

4 结论

（1）Tencate 7781玻璃布复合材料层压板吸湿过程近似服从FICK第二扩散定律，随着材料外表面吸湿趋向平衡，质量增加随时间变化的斜率持续减小。但是，由于本次试验吸湿称重间隔固定且较长，因此不能体现出FICK扩散定律中早期质量时间之间的线性关系。

（2）高温湿态试样在吸湿过程中发生不可逆的机械老化，如基体开裂、层间分层、纤维断裂、界面脱粘等，相对于室温干态试样，材料力学性能具有不同程度的下降，其中强度值下降了20%～30%，模量下降了10%左右，破坏模式也发生了改变。

图4 两种状态下拉伸试件的破坏模式Fig.4 Specimen failure mode in two kinds of conditions

图5 干态试样DMA曲线Fig.5 Dry DMA Plot

图6 湿态试样DMA曲线Fig.6 Wet DMA Plot

（3）高温湿态试样相对于室温干态试样，弹性模量降低，造成材料Tg值下降，降低了11%，即最高使用温度降低了10%左右。

（4）虽然Tencate 7781玻璃布复合材料所模拟的环境（66℃，85% RH）不一定会在飞机的服役环境中发生，但相关复材零件的储存、运输、生产环节一定要注意湿热的影响。

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