紫外光辐照对PBO纤维复合材料力学性能的影响*

张承双，韩建平，包艳玲，尤丽虹，鲁建军

(西安航天复合材料研究所，西安 710025)

紫外光辐照对PBO纤维复合材料力学性能的影响*

张承双，韩建平，包艳玲，尤丽虹，鲁建军

(西安航天复合材料研究所，西安 710025)

采用紫外光加速老化试验箱、材料试验机和DMA研究了紫外光辐照时间对PBO纤维复合材料性能的影响。研究结果表明：紫外光辐照导致PBO纤维复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及层间剪切强度出现了一定程度的下降，但对复合材料的模量影响较小；经紫外光辐照一定时间后，PBO纤维复合材料的耐热性和刚性均有所提高，随着辐照时间增加，复合材料的E′和E″向低温方向移动，表明复合材料的耐热性和刚性又开始下降。

PBO纤维复合材料；紫外光辐照；拉伸性能；弯曲性能；动态力学性能

0 引言

PBO纤维具有优异的力学性能和耐热性能，同时还具有较好的抗冲击性能和透波性能，它作为先进复合材料增强体在航天、航空、宇航、兵器等领域的结构和功能复合材料方面具有广阔的应用前景[1-5]。然而，已有的研究表明，PBO纤维可能存在耐紫外光老化性能较差的问题[6-10]，这在一定程度上限制了PBO纤维的工业应用。

Walsh等[11-12]利用氙灯作为紫外光辐照源对PBO-AS纤维进行了紫外光老化试验，在750 W/m2条件下辐照300 h后，PBO纤维的拉伸强度下降了40%，拉伸强度下降最为显著的阶段是辐照初期的100 h内。红外光谱分析结果表明，PBO纤维经紫外光辐照后，其分子结构中的噁唑环发生了开环反应，形成酰胺基团，使得聚合物分子取向度降低，纤维内部的缺陷增加，从而导致纤维力学性能下降。宋波等[13]利用氙灯耐气候试验箱对自制的PBO纤维开展了紫外光老化及防老化研究，结果表明，PBO纤维在紫外光环境下辐照6 h后拉伸强度迅速降低到原始强度的95%左右，辐照100 h后强度保持率为74%，而辐照200 h后拉伸强度保持率仅剩41%左右，因此紫外光辐照导致PBO纤维拉伸性能大幅下降。

可见，PBO纤维在紫外光环境下的老化问题亟待解决。然而，目前对于PBO纤维的紫外光老化研究主要集中在纤维本身的力学性能退化，关于PBO纤维复合材料的紫外光老化性能研究鲜有报道。因此，本文采用环境试验箱对PBO纤维复合材料进行紫外光辐照试验，研究了不同辐照时间对PBO纤维复合材料拉伸、弯曲、剪切等静态力学性能和损耗因子tanδ、贮能模量E′、损耗模量E″等动态力学性能的影响。

1 试验部分

1.1 原材料

增强纤维：PBO纤维(Zylon-HM)，日本东洋纺公司提供。树脂体系：GF-2环氧配方，本项目组自主开发，树脂基体由中国蓝星化工新材料有限公司无锡树脂厂提供。原材料性能如表1所示。

表1 原材料性能

1.2 试样制备

复合材料NOL环：牵引连续PBO纤维通过装有树脂的浸胶槽，利用NOL环成型机将浸胶后的PBO纤维缠绕到NOL环模具上，经固化、脱模后得到复合材料NOL环试样。

复合材料单向板：对PBO纤维复合材料单向板进行铺层设计，采用干法缠绕成型工艺制备PBO纤维复合材料单向板，利用水切割设备将单向板加工成复合材料弯曲和剪切试样，对试样的力学性能进行测试。

1.3 紫外光试验

分别将PBO纤维复合材料NOL环拉伸试样和单向板弯曲、剪切试样放置于LUV-2型紫外加速老化试验箱中，在紫外光波长为313 nm、辐照强度约750 W/m2条件下分别辐照10、50、120、200 h，将辐照不同时间后的试样取出进行力学性能测试。

1.4 性能测试与表征

根据GB/T 1458—2008标准，利用INSTRON 5500R型材料万能试验机对紫外光辐照不同时间后的PBO纤维复合材料NOL环拉伸性能进行测试，试样尺寸为φ150 mm×6 mm×1.5 mm，加载速度为3 mm/min。

分别根据GB/T 3356—1999和JC/T 773—2010标准，利用INSTRON 5500R型材料万能试验机对紫外光辐照不同时间后PBO纤维复合材料的弯曲和剪切性能进行测试，试样尺寸分别为100 mm×12.5 mm×2 mm和20 mm×6 mm×2 mm，加载速度为2 mm/min。

采用DMA 242 C型动态热机械分析仪(DMA)对紫外光辐照不同时间后PBO纤维复合材料的动态力学性能进行分析，试样尺寸为35 mm×10 mm×2 mm，气氛为氮气，频率为1.0 Hz，升温速率为3 ℃/min。

2 结果与讨论

2.1 静态力学性能

紫外光辐照时间对PBO纤维复合材料拉伸强度和模量的影响如图1所示。从图1可看出，PBO纤维复合材料的拉伸强度为2 700 MPa，经紫外光辐照不同时间后，其拉伸强度出现了不同程度的下降，当辐照时间达到200 h，拉伸强度降幅约为9.6%，这可能是由于PBO纤维是由芳香族聚合物纺丝形成的，而芳香族聚合物分子链对于波长为200～400 nm的紫外光比较敏感，在紫外光长时间辐照过程中PBO聚合物发生了噁唑环的开环反应，导致纤维力学性能下降[11-12]。PBO纤维复合材料的拉伸模量为145 GPa，经紫外光辐照不同时间后，其拉伸模量变化不大。对比PBO纤维在紫外光辐照后出现的拉伸性能大幅下降现象[11，13]可知，将PBO纤维制备成复合材料能够有效地缓解材料的紫外光老化问题。

紫外光辐照时间对PBO纤维复合材料弯曲强度和模量的影响如图2所示。从图2可看出，PBO纤维复合材料的弯曲强度为542 MPa，经紫外光辐照不同时间后，其弯曲强度出现了一定程度的下降，最大降幅约为7.4%。PBO纤维复合材料的弯曲模量为102 GPa，经紫外光辐照200 h后，其弯曲模量的变化较小。这是因为紫外辐照主要对PBO纤维复合材料外层受到紫外辐射的PBO纤维层产生了显著影响，而这种影响没有向复合材料内部扩展，当进行三点弯曲试验时，最外层的PBO纤维受到弯曲、挤压等复杂载荷影响，最终达到应力极限时发生破坏。

2.2 界面粘接性能

采用层间剪切强度测试评价了紫外光辐照时间对PBO纤维复合材料界面粘接性能的影响，其结果如图3所示。从图3可看出，PBO纤维复合材料的层间剪切强度为33.2 MPa，经紫外光辐照不同时间后，其层间剪切强度出现了一定程度的下降，最大降幅约为11.1%。然而，随着辐照时间进一步延长，复合材料的层间剪切强度又有所升高。这可能是由于PBO纤维在紫外光辐照过程中，其分子链发生的开环反应导致纤维与树脂基体之间的界面结合强度降低；而对于环氧树脂基体而言，紫外光辐照的能量不仅会使环氧基体发生断链、降解等变化，同时也会使环氧树脂分子链中没有固化的部分继续交联[14]。当辐照时间较短时，PBO纤维和环氧树脂在紫外光辐照下发生的开环、断链等反应导致纤维与树脂基体之间的界面粘接性能下降；随着辐照时间延长，环氧树脂分子链中没有固化的部分继续交联，又使得PBO纤维与环氧树脂之间的界面结合强度有所增加。

2.3 动态力学性能

采用DMA对紫外光辐照不同时间后PBO纤维复合材料的损耗因子tanδ、贮能模量E′和损耗模量E″进行了研究。

紫外光辐照不同时间后PBO纤维复合材料tanδ的变化情况如图4所示，辐照时间对PBO纤维复合材料玻璃化转变温度的影响如表2所示。

辐照时间/h玻璃化转变温度Tg/℃tanδ0114．80．49310119．30．45150118．40．508120120．40．443200113．60．508

从表2可看出，PBO纤维复合材料的玻璃化转变温度Tg为114.8 ℃，经紫外光辐照120 h后，复合材料的Tg升高120.4 ℃，当辐照时间继续增加为200 h时，Tg又下降为113.6 ℃。这可能是由于在紫外光辐照的初始阶段，PBO纤维复合材料体系内部的残余热应力在紫外光辐照能量的作用下得到了充分释放，与此同时，环氧树脂分子链中没有固化的部分继续发生交联反应交联，使得树脂基体交联密度增加，从而导致复合材料的耐热性有所提高[15]。然而，随着辐照时间进一步延长，紫外光辐照能量逐渐增加，不仅使PBO纤维分子链发生了噁唑环的开环反应，还使得环氧树脂基体发生了断链、降解等变化，这些结果导致PBO纤维复合材料的耐热性能出现下降[16]。

PBO纤维复合材料的E′随紫外光辐照时间的变化情况如图5所示。从图5可看出，在树脂基体分子链发生玻璃化转变以前，PBO纤维复合材料的E′随着辐照时间增加而逐渐增大，这表明复合材料的刚性得到了提高。但是随着紫外光辐照时间继续增加(如200 h)，复合材料的E′又开始向低温方向移动，说明PBO纤维复合材料的刚性开始下降。

PBO纤维复合材料的损耗模量E″随紫外光辐照时间的变化情况如图6所示。

从图6可看出，随着紫外光辐照时间增加，E″逐渐向高温方向移动，这表明PBO纤维复合材料中树脂基体发生玻璃化转变的温度逐渐增加，聚合物分子链段运动需要克服的内摩擦阻力增大，说明紫外光辐照时间较短时，PBO纤维复合材料的耐热性有所提高。但是，随着辐照时间进一步增加(如200 h)，PBO纤维复合材料的E″又开始向低温方向移动，表明树脂基体发生玻璃化转变的温度降低，这说明随着紫外光辐照时间进一步延长，PBO纤维复合材料的耐热性下降，这与PBO纤维复合材料Tg的变化结果一致，其原因可能也与前文所述相同。

3 结论

(1)紫外光辐照导致PBO纤维复合材料的拉伸强度、弯曲强度和层间剪切强度出现了一定程度的下降，而对复合材料的拉伸模量和弯曲模量影响较小。因此，将PBO纤维制备成复合材料可有效缓解材料力学性能下降的问题。

(2)紫外光辐照初期，PBO纤维复合材料的耐热性和刚性有所提高，随着辐照时间进一步延长，复合材料的E′和E″向低温方向移动，表明复合材料的耐热性和刚性又开始下降。

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(编辑：薛永利)

Effect of UV-visible light radiation on mechanical properties of PBO fiber reinforced composites

ZHANG Cheng-shuang，HAN Jian-ping，BAO Yan-ling，YOU Li-hong，LU Jian-jun

(Xi’an Aerospace Composites Research Institute，Xi’an 710025，China)

The effects of UV-visible light radiation on PBO fiber reinforced composites were studied in this paper by using a UV-visible light weatherometer,a universal testing machine and dynamic mechanical analysis(DMA).The results indicate that the tensile strength,flexural strength and interlaminar shear strength of PBO fiber reinforced composites decline to some extent after UV-visible light radiation,while the tensile and flexural modulus of the composites experience little changes.The heat-resistance property and rigidity of the composites increase to some extent after UV-visible light radiation.However,theE′andE″of the composites shift toward low temperature with exposure time increasing,which means some decline of heat-resistance property and rigidity of the composites.

PBO fiber reinforced composites；UV-visible light radiation；tensile properties；flexural properties；dynamic mechanical properties

2016-04-16；

2016-05-19。

国防科工局军品配套科研项目(JPPT-125-GJGG-31-2)。

张承双(1983—)，男，博士，主要从事先进聚合物基复合材料成型工艺与应用研究。E-mail： cszhang83@163.com

V258

A

1006-2793(2017)03-0386-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.03.020