T300/QY8911复合材料湿热行为的研究

张凤玲，宋体杰，马克明，王静

（1.沈阳飞机工业 (集团) 有限公司，沈阳 110034；2.沈阳航空航天大学，沈阳 110136）

复合材料具有比强度/比刚度高、热膨胀系数较低、阻尼系数大、耐高温、化学稳定性好等综合性优点，在航空航天、国防科技、交通运输等行业得到了广泛的应用。碳纤维增强树脂基复合材料作为航空、航天领域最常用的复合材料，在各种服役环境条件下，树脂基体会受到湿热、阳光照射、盐雾和交变应力等外界环境因素的交互作用，从而使复合材料的服役寿命大大降低。在这些外界影响因素中，湿热环境下复合材料吸湿所导致的力学性能退化是影响服役寿命的最重要方面，因此自20世纪70年代起，即对复合材料的湿热老化行为进行了研究。世界各国的研究人员对复合材料在湿热环境下所引起的力学性能、物理性能等进行了多方面的广泛研究，普遍采用将力学性能作为衡量复合材料服役寿命和损伤阈值的参量。复合材料在湿热环境中的吸湿过程是一个缓慢的水分弥散过程，实际服役期间，复合材料会受到湿度/温度和外界载荷对纤维、基体及复合材料界面的联合作用，最终导致复合材料产生物理、化学性能的退化。吸湿率受外界的温度、湿度、复合材料厚度以及基体化学性质等因素的影响，树脂基复合材料湿热行为的研究主要针对吸湿规律[1-6]、老化性能[7-9]以及力学性能[10-16]等方面进行研究。

1 试验

1.1 T300/QY8911复合材料制备

将 T300/QY8911复合材料预浸料单向铺层，然后采用真空袋成形制备复合材料。成形工艺为：（120±5）℃ /15 min（0.4MPa）+ 185 ℃/ 2 h（0.4 MPa)+195 ℃/4 h（0.4 MPa）+80 ℃（泄压），室温后取出。

1.2 性能测试

1）复合材料的湿热处理采用水煮吸湿方法进行加速实验。将试样浸入去离子沸水中进行处理，前四天称量一次，然后每三天称量一次各个试样的质量变化。当质量增量比上次增加0.05%时，每天称量质量变化。连续三次测定的质量增量小于上次质量的0.05%（或 0.02%）时，湿热处理过程即可认为达到饱和状态。

2）采用美国TA公司DMA2980动态力学热分析仪，通过三点弯曲方式对复合材料进行DMTA分析，测定其玻璃化转变温度。复合材料试样尺寸为 30 mm×6 mm×2 mm，测试参数：室温至300 ℃、升温速率为 5 ℃/min、振荡频率为1 Hz。

3）根据HB 7625—1998 对复合材料试样进行拉伸性能测试。测试试样尺寸为230 mm×12.5 mm×2 mm，加载速度为2 mm/min。根据HB 7626—1998对湿热处理后的复合材料试样进行压缩性能测试，测试试样尺寸为135 mm×15 mm×2 mm，加载速度为2 mm/min。

2 结果及分析

2.1 湿热行为的研究

图1和图2为分别T300/QY8911复合材料在湿热处理过程中，吸湿率与处理时间（t）以及时间平方根（t1/2）的关系曲线。

碳纤维增强树脂基复合材料在受到外界湿热环境影响时，水分子通过扩散和/或毛细作用逐渐渗入其内部，温度会加速此渗透过程。进入复合材料内部的水分子会使树脂基体的大分子链间距增大，从而发生溶胀，进而产生增塑。另外随着水分子向树脂基体的渗透扩散，会产生渗透压，导致基体内部产生裂纹，使吸湿量增加，此时水分子会促进裂纹扩展，使基体产生破坏，基体断链和解交联，树脂基体流失。在吸湿初期，由于水分子主要渗透进入复合材料内部的微小裂纹缺陷和树脂分子的自由体积，此过程分子的扩散行为符合 Fick第二定律。在吸湿后期，由于树脂基体在湿热条件下产生了一系列的物理和化学变化，从而导致水分子的扩散行为偏离Fick第二定律。

从图 1中可以看出，复合材料在湿热处理过程中，湿热开始后360 h以内，复合材料的吸湿率随时间的增加而呈现逐渐上升的趋势；当湿热时间超过360 h，吸湿率变化曲线趋缓；湿热处理432 h时，复合材料达到饱和状态，吸湿率最终为1.34%。从图2中可以看出，复合材料在120 h以内，吸湿率与t1/2呈现出线性关系，即表明复合材料在此阶段内的吸湿规律符合Fick第二定律；在120 h以后，吸湿率与t1/2的关系出现线性偏离，从而表明在此阶段，T300/QY8911复合材料中水分子扩散的行为已经不符合Fick第二定律，吸湿行为趋于复杂。T300/QY8911复合材料的吸湿参数：平衡吸湿率为 1.34%，吸湿速率为1.29×10-2s-1，扩散系数为 7.38×10-5mm2/s。

2.2 湿热行为对玻璃化转变温度的影响

为了研究在湿热条件下，T300/QY8911复合材料玻璃化转变温度与吸湿率之间的关系，分别对处理时间为0，48，72，168，432 h的试样进行了DMTA分析。各湿热处理条件下，T300/QY8911复合材料的损耗因子tanδ和扫描温度θ之间关系曲线如图3所示。

根据图3中DMTA曲线tanδ峰所对应的玻璃化转变温度（θg）以及各个湿热处理时间下的吸湿率，可获得不同吸湿率条件下复合材料的玻璃化转变温度的变化规律，如图4所示。

从图4可以看出，T300/QY8911复合材料在吸湿条件下的θg随吸湿率的上升而下降。在湿热处理初期，即处理时间为0～48 h内，吸湿率为0～0.82%，复合材料的θg下降较快，随后下降趋势趋缓，吸湿趋于饱和时达最小值。经过432 h湿热处理，达到饱和吸湿条件下的θg值为161.5 ℃，而未经湿热处理时，干态下的θg值为 220.7 ℃，下降了 59.2℃，即θg下降幅度达26.8%。产生这种现象的主要原因是在湿热条件下，水分子渗透进入复合材料的内部，使复合材料基体树脂产生塑化，树脂基体分子链段的活动能力得以提高，从而导致玻璃化转变温度降低。

2.3 湿热行为对力学性能的影响

不同湿热处理条件下，T300/QY8911复合材料的力学性能变化曲线如图5和图6所示。

从图5可以看出，复合材料的拉伸强度随着吸湿率增加出现小幅降低。在自然状态和工程干态（0%吸湿率）下，复合材料拉伸强度分别为1441 MPa和1489 MPa；当复合材料吸湿率达到0.74%时，其拉伸强度降为1207 MPa，与自然状态相比，降幅为16.2%。

从图6中可以看出，随着吸湿率的增加，复合材料压缩强度的变化趋势较小。在自然状态和工程干态下，复合材料的压缩强度分别为659 MPa和663 MPa；当复合材料的吸湿率达到 0.74%时，其压缩强度为655 MPa，与自然状态相比，降幅仅为0.6%，可见湿热处理对复合材料的压缩强度的影响不大。

3 结论

1）T300/QY8911复合材料的吸湿率随湿热处理时间呈现逐渐升高的趋势，且升高趋势逐渐变缓，在432 h到达饱和吸湿状态。在湿热处理初期（120 h以内），水分子在复合材料内的渗透过程符合 Fick 第二定律，饱和吸湿率为1.34%。

2）湿热处理条件下，水分子在 T300/QY8911 复合材料中的扩散系数为 7.38×10-5mm2/s，吸湿速率为 1.29×10-2s-1。

3）T300/QY8911复合材料的玻璃化转变温度随着吸湿率的增加呈下降趋势，以对应于损耗模量（tanδ）峰的θg为基准，复合材料在饱和吸湿条件下的θg值比原始状态下降了 59.2 ℃，下降幅度达26.8%。

4）T300/QY8911复合材料的拉伸强度随着湿热处理时间的延长呈现下降趋势，而压缩强度则变化不大。与自然状态相比，湿热处理120 h以后，拉伸强度的降幅达16.2%，压缩强度的降幅仅为 0.6%。

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