湿热环境对CFRP层板力学性能影响预测

贾少澎 纪乾 秦嘉徐* 邹田春

(1. 中国商用飞机有限责任公司,上海,200126;2. 中国民航大学,民航民用航空器适航审定技术重点实验室,天津,300300)

近年来,碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)广泛应用于军用及民用飞机机身、机翼、尾翼、雷达罩等结构,成为不可或缺的新型航空材料。尽管CFRP材料具有高比强度、高比模量、疲劳寿命长、可设计性强等优良性能,但CFRP材料在湿热环境中的力学性能会发生严重退化,导致承力结构的破坏甚至失效,对航空安全造成威胁[1]。因此有必要对CFRP在湿热环境中的力学性能退化行为及退化机理开展研究,为航空结构的适航审定提供技术支持。

下面研究了CFRP T700/3228层板经不同湿热环境处理后的力学性能退化情况,通过对不同湿热环境处理后CFRP层板的力学性能分析,建立湿热环境对CFRP层板力学性能影响的预测方法,并与试验结果进行对比。

1 试验部分

1.1 试验材料

试样为碳纤维增强环氧树脂层板,牌号为T700/3228,由北京百慕航材高科技股份有限公司进行制造,手工铺层,热压罐固化。试样类型为0°拉伸，铺层方式为[0]16,长×宽为230 mm×15 mm。

1.2 试验条件

1.2.1 加速吸湿试验

根据HB 7104—1996选取不同的加速吸湿条件,使CFRP层板在工程能接受的较短时间内达到其长期使用环境中可能达到的吸湿量,并进行力学性能试验。为更加全面地测试不同湿热环境(包括一些极端环境)下材料的力学性能,试验在标准规定的70 ℃烘干、70 ℃/85%RH(相对湿度)、70 ℃水浴3种条件外,增加了25 ℃烘干、85 ℃烘干、25 ℃/85%RH、85 ℃/85%RH 4种条件。

1.2.2 力学性能试验

根据GB/T 3354—1999试验要求,采用CSS44300型电子万能试验机对CFRP层板进行拉伸性能试验,加载速度3 mm/min。根据GB/T 3856—2005试验要求对CFRP层板进行压缩性能试验,加载速度为1 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 湿热环境对CFRP层板力学性能的影响

2.1.1 湿热环境对CFRP层板拉伸性能的影响

铺层方式为[0]16的CFRP层板经湿热环境处理后进行拉伸试验,随着载荷的增大,可以清晰的听到纤维崩断的声音,试件破坏时发出巨大响声。试样主要有两种断裂形式,多数试样纵向劈裂,少数试样横向断裂,如图1所示。两种断裂形式所对应的载荷-位移曲线如图2所示,拉伸强度均值如表1所示。

图1 0°层板拉伸试样的典型断裂示意

图2 0°层板典型拉伸载荷与位移关系

组别环境条件拉伸强度/MPa标准差离散系数/% T0-1室温干燥2 150.733161.087.52 T0-270 ℃烘干2 091.143202.669.69 T0-385℃烘干2 099.460204.679.75 T0-425℃/85%RH1 837.86754.872.98 T0-570 ℃/85%RH1 785.294136.717.66 T0-685 ℃/85%RH1 752.623118.256.75 T0-770 ℃水浴1 685.651108.526.44

从表1可以看到,干燥环境下,0°层板的拉伸强度随环境温度升高基本不发生变化;85%RH下,0°层板的拉伸强度随环境温度的升高而下降;70 ℃水浴下,0°层板的拉伸强度进一步下降。

2.1.2 湿热环境对CFRP层板压缩性能的影响

铺层方式为[0]16的CFRP层板经不同湿热环境处理后进行压缩试验,试样主要有两种断裂形式,一种为在工作段沿45°夹角断裂;另一种为沿厚度方向断裂,断口基本垂直于纤维方向,如图3所示。0°层板进行压缩试验所得的典型载荷-位移曲线如图4所示,压缩强度均值如表2所示。

图3 0°层板压缩试样的沿厚度方向断口示意

图4 0°层板压缩试样的典型载荷与位移关系

组别环境条件压缩强度/MPa标准差离散系数/% C0-1室温干燥660.9534.875.28 C0-270 ℃烘干655.6045.907.00 C0-385 ℃烘干669.3840.766.09 C0-425 ℃/85%RH650.6541.916.44 C0-570 ℃/85%RH635.6253.398.40 C0-685 ℃/85%RH628.8437.255.92

从表2可以看到,干燥环境下,0°层板的压缩强度随环境温度升高基本不发生变化;85%RH下,0°层板的压缩强度随环境温度的升高而下降。

2.2 湿热环境对CFRP层板力学性能影响的预测

2.2.1 预测方法的提出

CFRP层板在湿热环境中的力学性能变化机理复杂,国内外众多学者们提出了一些简化的半经验公式或模型对复合材料在环境因素影响下的性能变化进行说明。其中,古尼耶夫中值老化公式(1)获得了较为广泛的认可。

S=S0+η(1-e-λt1)-βln(1+θt1)

(1)

式(1)中,S为材料剩余强度;S0为材料初始强度;η,λ为材料的固化参数;β为材料的抗裂纹扩展参数(对于一定的材料为常数);θ为影响状态参数;t1为材料老化时间。

张颖军[2]等对古尼耶夫中值老化公式进行改进,提出了聚合物基复合材料在环境因素处理后剩余强度的估算公式:

S=S′-∑Ailn[1+BiT(xi)](i=1,2,…) (2)

式(2)中,S′为材料经后固化增强后的强度;xi为环境因素;Ai为环境因素xi对材料性能影响的显著性参数,对于同一种复合材料性能,该参数为常数;Bi为材料性能对抗环境因素xi的能力,对于同一种组成成分及加工工艺的复合材料,该参数为常数;T(xi)为环境因素xi的等效作用时间。T(xi)表达式如下:

(3)

式(3)中，S(xi)为环境因素xi的强度指数；t(xi)为环境因素xi作用时间；B(xi)为xi基准指数。

该强度估算公式考虑了两种以上的环境因素,并考虑了环境条件与环境处理时间对聚合物基复合材料性能的叠加影响,但该公式用S′统一代表后固化对聚合物基复合材料的后固化作用,并对包括温度在内的环境因素对材料性能影响的显著性参数Ai施加了大于零的约束条件,忽略了后固化对材料产生的增强作用同样随着温度升高和时间延长而增强。

为了避免经验公式中的不足之处,将CFRP层板在高温下发生后固化增强作用与高温对纤维-基体界面产生的削弱作用进行合并,并考虑温度与湿度两种环境因素与时间对材料性能的叠加影响,在上述两个经验公式的基础上提出了预测湿热环境下CFRP层板性能的改进强度估算公式:

S=S0-A1ln(1+B1T)-A2ln(1+B2H)

(4)

式(4)中,T为环境温度的等效作用时间;H为环境湿度的等效作用时间。表达式分别见式(5)和式(6)，其中，ti为环境温度；t2为环境温度作用时间；hi为环境湿度；t3为环境湿度的作用时间。

(5)

(6)

2.2.2 参数确定及试验验证

按照式(5)及式(6)计算出的CFRP层板的环境等效作用时间如表3所示,其中,水浴环境的相对湿度等同于100%RH。

表3 CFRP层板的环境等效作用时间 h

将25℃干燥下层板的拉伸强度作为初始强度值S0,且考虑到温度对CFRP层板强度的增强与削弱作用共同存在,故将约束条件设定为A2>0,B1>0,B2>0。

用最小二乘法计算A1，A2，B1，B2数值解,建立判据:

Q=∑[S0-A1ln(1+B1Ti)-

A2ln(1+B2Hi)-Si]2

(7)

带入70 ℃烘干、85 ℃烘干、25 ℃/85%RH、70 ℃/85%RH、85 ℃/85%RH下CFRP层板的强度均值及表3中所示的温度等效作用时间、湿度等效作用时间进行拟合。建立方程组如下:

表4 显著性参数数值解

0°层板的拉伸强度估算公式为:

S=2 150.733-72.690 2ln(1+0.005 1T)-

17.436 9ln(1+1.521×106H)

(12)

0°层板的压缩强度估算公式为:

S=660.95+0.077ln(1+9.78×105T)-

11.105 1ln(1+0.080 4H)

(13)

从式(12)与(13)可以看出,0°层板的压缩强度估算公式中的A1值为负值,这说明温度对于0°层板的压缩强度造成的增强作用大于削弱作用。0°层板的拉伸强度估算公式中的A1值均为正值,这说明温度对于0°层板的拉伸强度造成的削弱作用大于增强作用。

为验证强度估算公式的拟合精度,将力学性能试验数据与按照强度估算公式计算所得的强度值进行对比,如表5所示。从表5中可以看出,该强度估算公式的拟合误差总体较小,拟合精度较高,对于湿热环境下层板拉伸和压缩强度的拟合误差较小,在-1.2%～2.5%。

为验证强度估算公式对其他环境条件下CFRP层板性能的预测能力,将70 ℃水浴下的H值与T值带入强度估算公式,计算得到70 ℃水浴下0°层板的拉伸强度。将0°层板试验值、预测值进行对比,可得预测误差值为3.37%,可见该强度估算公式的预测误差较小。

3 结论

a) 在干燥环境下,0°层板的拉伸强度随环境温度增加基本不发生变化;85%RH下,0°层板的拉伸性能随环境温度的升高而下降,在70 ℃水浴环境下,0°层板的拉伸强度进一步下降。

b) 在干燥环境下,0°层板的压缩强度随环境温度增加基本不发生变化;85%RH下,0°层板的压缩性能随环境温度的升高而下降。

c) 建立了适用于经湿热环境处理后的CFRP层板强度估算公式。对70 ℃水浴下的0°层板拉伸强度的预测误差较小。