腐蚀环境因子对环氧树脂基复合材料性能影响研究

肖文萍许俊华朱怡超

(中国直升机设计研究所,江西景德镇333001)

摘要：通过分析浸泡试验以及热老化试验对层间剪切强度和Tg值的影响,得出吸湿率是影响复合材料性能的最显著因子,研究了吸湿率与温度和时间的关系。另外,还研究了在一定吸湿率下复合材料的耐冲击和疲劳性能的变化。

关键词：环氧;复合材料;腐蚀;环境

中图分类号：TB304; TB332　文献标识码: A

文章编号：1672-9242(2008)06-0076-06

先进复合材料具有低密度、高比强度、高比模量、耐环境性能优异、可设计性强等诸多优点,已经成为航空航天各类飞行器的主要结构材料。在国外,主要的军、民用直升机,如:PAH-2 (虎)、RAH- 66(科曼奇)和NH-90均大量采用先进复合材料。

PAH-2是法德联合研制的武装直升机,从其用材上分析,可以看出轻质材料仍是首选,最突出的现象是复合材料在机身上的用量明显增多,号称80%复合材料的直升机。NH-90为全复合材料机体结构,在机体结构中,除发动机平台防火墙和部分加强件采用轻合金以外,其余部分均采用复合材料。大部分承载结构用碳纤维增强的复合材料制成,少数结构用Nomex蜂窝夹层结构复合材料制成。全复合材料机体大大减少了隔框和纵梁的数目,同全金属结构相比,其零件数目减少20%,质量减轻20%,与此同时,还提高了抗腐蚀和损伤容限的能力,减少了雷达特征信号。RAH-66虽已下马,但仍不失为当代新开发的先进武装直升机的目标,复合材料结构质量占机体结构质量的54%,其中碳纤维/环氧树脂占结构的44%。主承力件采用IM7碳纤维和增韧环氧树脂8552,IM7碳纤维复合材料与T300碳纤维复合材料相比,强度增加了20%~40%,刚度增加了35%,损伤容限提高了近100%,低速冲击后压缩强度高1倍,使用这种新型复合材料后,机身结构质量比用金属材料减轻了34%,比T300级别的复合材料轻14%。

按照上述发展趋势,高性能复合材料还将得到更广泛的应用。然而,腐蚀问题却是制约直升机发展的重要因素之一。据资料显示,国内外每年由于腐蚀问题造成的各种损失高达数百亿。由于我国对复合材料的耐腐蚀问题尚未开展过深入研究,因此, 深入研究复合材料与环境相互作用所发生的腐蚀失效的机理问题是一重要课题。本项目通过对复合材料进行浸泡腐蚀等试验,研究了影响复合材料腐蚀的最显著环境因子,以及在最显著因子影响下复合材料耐冲击和疲劳性能的变化。

1　环境因子影响试验与分析

1.1　试验材料

试验材料选择中温固化环氧碳布复合材料 3234/G827。

1.2　试验设备

试验设备有:AR2140型电子分析天平(0.1 mg)(上海奥豪斯公司);镀铬游标卡尺(精度为 ±0.02 mm)(北京量具道具厂);Du Pont982型差热仪(DMA)(美国杜邦公司);恒温水浴箱(精度为 ±0.5℃)(北京医疗设备厂)。

1.3　试验内容

根据工程经验,复合材料的腐蚀老化与温度、时间、腐蚀介质密切相关,试验着重研究此3种因素与材料腐蚀之间的关系,从中找出影响最大的因子。

1.3.1　正交试验

三因素三水平正交试验。

试样尺寸:20 mm×6 mm×2 mm;

溶液:NaCl质量分数分别为1%,3%、5%的 NaCl溶液;

溶液温度:30、55、80℃;

浸泡时间:10、20、30 d。

1.3.2　热老化试验

此试验为考察在没有其它因素作用时,单纯的高温对材料力学性能和玻璃化转变温度的影响,试验取一个温度水平,3个试验周期(时间水平)。

1.3.3　吸湿率与温度、时间关系曲线的测定试验试验主要是测定复合材料浸泡在NaCl溶液 (NaCl的质量分数为3%)中,吸湿率与温度和时间的关系。

1.3.4　试验结果处理

用电子天平称取试样在浸泡前和浸泡后的质量,按下式计算试样的增重率:

式中:R(t)为增重率;W0和Wt分别为试样的起始质量与浸泡时间t后的质量。

对浸泡后的试样进行玻璃化转变温度(Tg)的测定和按照GB 3357进行短梁剪切试样,并与未进行浸泡的空白试样进行对比分析。

1.4　试验结果及分析

1.4.1　正交试验

正交因素水平见表1。

将所得各组试样的层间剪切强度值和玻璃化转变温度值填入正交表,计算出相关项(水平1、2、3分别对应的目标函数及其相应的极差),见表2。

表2中Ⅰj为各因素中水平1所对应的目标函数之和;Ⅱj为各因素中水平2所对应的目标函数之和;Ⅲj为各因素中水平3所对应的目标函数之和; Rj为极差,是各列中水平1、2、3所对应的目标函数和中最大值与最小值之差;下角标为1的是与剪切强度有关的项;下角标为2的是与玻璃化转变温度有关的项。

由表2可知,极差R21>>R31>>R11,即当因素2(温度)变动时,层间剪切强度值的波动最大,且远大于因素1和因素3变动时对剪切强度的影响, 因此,当目标函数是层间剪切强度时,最显著因子为温度。

同时,R22>>R32>>R12,即当因素2(温度)变动时,玻璃化转变温度值的波动也是最大的,且远大于因素1和因素3变动时对玻璃化转变温度的影响。因此,当目标函数为玻璃化转变温度时,最显著因子仍为温度。

以c代表浓度,T代表温度,t代表时间,作出 Ⅰj1-c、Ⅱj1-T、Ⅲj1-t关系曲线,如图1所示;Ⅰj2-c、 Ⅱj2-T、Ⅲj2-t关系曲线,如图2所示。

由图1和图2可以看出,当因素变化时,目标函数(层间剪切强度、玻璃化转变温度)随之发生波动, 可见温度的影响最为显著。另外,由图中也可以看出,当NaCl质量分数为c2(3%),溶液温度为T3(80 ℃),浸泡时间为t3(30 d)时,质量分数、温度和时间所对应的目标函数之和最小,也就是说,在这种组合状态下,对层间剪切强度和玻璃化转变温度影响最大。

试验结果显示:浸泡使试样的层间剪切强度和玻璃化转变温度均有不同程度的下降,且温度越高, 浸泡时间越长,下降的程度越大。对于剪切强度的下降,主要是因为基体与纤维之间的界面的结合力降低所致。导致界面结合力降低可能有两方面的原因:树脂基体吸水溶胀,使界面处产生内应力,进而产生裂纹,导致界面结合力下降;渗入到界面处的水使界面发生水解,导致界面结合力降低,温度越高, 水的扩散率越大,时间越长,基体吸水及渗入界面的水越多,从而使界面结合力的下降也就越大。

玻璃化转变温度(Tg)是指由玻璃态向高弹态转变的临界温度。导致Tg下降的主要原因是:水渗入到树脂基体中,使高分子链段之间的距离增大, 从而减小了链段间的作用力,使链段的运动变得容易,因而使玻璃化转变温度降低。由此认为,温度越高,时间越长,水渗入得越多,水的增塑作用也会越显著,玻璃化转变温度下降得就越多。

1.4.2　热老化试验

热老化对材料层间剪切强度的影响见表3。