分享：湿热环境中碳纤维复合材料层合板的强度退化及 老化寿命预测

余海燕,吴航宇,石慧茹

 (同济大学汽车学院,上海 201804)

 摘 要:对碳纤维复合材料(CFRP)层合板进行了25,50 ℃加速水浴吸湿试验,以及吸湿后的 单向拉伸和三点弯曲试验,研究了吸湿率、拉伸强度和弯曲强度随吸湿时间、水浴温度的变化规律, 讨论了 CFRP层合板的失效机理;拟合试验数据建立了 CFRP层合板的剩余强度模型,并基于环 境当量系数对层合板的湿热老化寿命进行预测。结果表明:CFRP层合板在50 ℃水浴温度下的平 均饱和吸湿率为0.77%,高于在25 ℃下的(0.33%),在相同吸湿时间下,50 ℃水浴温度下的吸湿 率大于25 ℃下的;CFRP层合板在50 ℃吸湿饱和后的拉伸强度和弯曲强度相比吸湿前的分别下 降了7.4%和17.2%,下降幅度均大于25 ℃下吸湿饱和后的;水浴温度越高,CFRP层合板碳纤维 与树脂间界面损伤越严重,裂缝越明显;基于剩余强度和环境当量系数的真实老化寿命预测方法可 为湿热环境下 CFRP层合板的服役可靠性评估提供依据。 

关键词:碳纤维复合材料;湿热环境;强度退化;老化寿命 中图分类号:TB33 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)04-0040-06

0 引 言

 碳 纤 维 复 合 材 料 (Carbon Fiber Reinforced Polymers,CFRP)由碳纤维和树脂基体组成,具有 40 余海燕,等:湿热环境中碳纤维复合材料层合板的强度退化及老化寿命预测 比强度高、比刚度大、密度低的特点,是汽车轻量化 理想材料。树脂类聚合物具有吸水性,且吸水后韧 性下降、强度降低。汽车零部件服役环境十分复杂, 例如在我国南方地区年降雨量为1700mm,夏季最 高温度可达41 ℃,相对湿度可达95%左右。这些 苛刻的环境对汽车零部件的性能提出了非常严格的 要求。湿热环境下汽车零部件的可靠性非常重要, 因此非常迫切开展 CFRP 层合板在湿热环境中的 失效行为及其失效机理研究。 ADAMS [1]、ISLAM 等[2]、NADDER 等[3] 对 CFRP在湿热环境中的吸湿行为进行了研究,发现: 在高温高湿的加速老化条件下,CFRP 的吸湿过程 符合 Fick第二定律,较高的温度可使扩散系数增 大,CFRP 的吸湿饱和时间缩短;经过湿热老化后, CFRP的拉伸强度、弯曲强度、弹性模量和弯曲模量 均 降 低,疲 劳 寿 命 大 幅 缩 短。 MIKOLS 等[4]、 JEDIDI等[5]研究了不同树脂基体的 CFRP 在湿热 循环条件下的失效行为,发现湿热循环可使聚合物 内部结构发生第三级转变,长期的湿热疲劳可诱导 复合材料特性发生显著变化。MENG 等[6]研究表 明,由于边缘效应,在50 ℃、7×10 6 Pa的海水中短 期浸泡后 CFRP层合板的力学性能显著降低,而长 期浸泡后,纤维/聚合物界面的损坏导致层合板的降 解更为严重。这一点在陈达等[7]、王德等[8]、冯振 宇[9]等的研究中也得到了证实。蔺越国等[10]研究 发现,复合材料层合板的铺层结构对吸湿行为和扩 散系数几乎无影响,而决定吸湿性能的主要因素是 复合 材 料 的 铺 层 数 量。 谷 卫 敏 等[11] 研 究 发 现: CFRP在湿热环境中吸湿过程初期的吸湿量与吸湿 时间的平方根呈线性关系,此时复合材料的吸湿速 率较大;吸湿过程后期由于基体分子结构间距增加, CFRP中产生更多的微裂纹,且水分子侵蚀树脂使 其塑化后会产生化学反应,因此吸湿速率降低。 目前,有关 CFRP湿热性能的研究主要集中在 吸水扩散模型、湿热老化性能以及热性能等方面,但 是有关其在湿热环境中的失效机理以及老化寿命预 测方面的研究较少。作者通过对 CFRP 层合板进 行25,50℃恒温水浴吸湿试验以及吸湿后的单向拉 伸和三点弯曲试验,分析了 CFRP层合板在不同湿 热环境中的吸湿率、吸湿前后拉伸强度和弯曲强度 的变化,并结合 CFRP层合板拉伸断口形貌讨论了 吸湿失效机理;对试验数据进行拟合建立了剩余强 度计算模型,并基于环境当量系数对 CFRP层合板 的吸湿饱和时间和真实老化寿命进行了预测,以期 为碳纤维复合材料的工程应用提供参考。 

1 试样制备与试验方法

 试验材料为台湾台丽公司采用模压工艺生产的 T3003K 碳纤维复合材料层合板,其中碳纤维的抗 拉强度为2052 MPa,基体为改性3252s热固性环 氧树 脂,固 化 温 度 为 140 ℃,基 体 的 体 积 分 数 为 30%。CFRP层合板的铺层顺序为[0/±45/90/0/ 90]s,总厚度为2mm,层合板纤维方向和基体方向 的弹性模量分别为128000,8900 MPa,纤维方向 和基体方向的抗拉强度分别为1920,42 MPa,面内 剪切模量为3200 MPa,主泊松比为 0.28,密度为 1540kg·m -3。 参考 HB7401-1996,在试验材料上截取5个 平面尺寸为25mm×200mm 的矩形试样,试样长 度方向与0°方向一致,采用水浸泡方法对 CFRP层 合板进行加速水浴吸湿试验。试验前先用电热烘箱 对试样进行干燥,每2h用精度为0.001g的电子天 平测试样的质量变化,当质量变化量低于试样总质 量的0.02%时停止烘干,并记录此时的质量作为初 始干态质量;将试样置于 HX-HH420型恒温水浴 箱中,介质为蒸馏水,水浴温度分别为25,50 ℃,水 浴试验的前6d,每天将试样取出并用干布擦去表面 水分后称取试样质量,之后每3d称取一次,每个试 样称取3次取平均值。若连续3d称取的质量变化 小于总质量的0.02%时,说明此时试样达到吸水饱 和状态,即停止水浴吸湿试验,并将吸湿饱和试样用 湿布包裹待用。层合板吸湿率的计算公式为 δ= mi -m0 m0 ×100% (1) 式中:δ 为吸湿率;mi 和m0 分别为试样吸湿后的质 量和吸湿前的干态质量。 测定吸湿率后,按 照 GB/T1040.5-2008,在 MTSE45型万能试验机上对具有不同吸湿率试样 进行单向拉伸试验,拉伸载荷由力传感器测量,变形 和应变采用频率为5 Hz的数字图像相关(DIC)测 量系统进行测量,拉伸速度为1 mm·min -1。拉伸 试验结束后,采用 QuantaFEG250型扫描电子显 微镜(SEM)对 CFRP 层合板拉伸断口形貌进行观 察。按照 ASTM D7264-2015,对水浴时间分别为 144,288,432,576,720h 的 试 样 进 行 三 点 弯 曲 试 验,弯曲试样平面尺寸为80 mm×13 mm,不同水 浴时间 下 测 7 个 试 样,三 点 弯 曲 装 置 跨 厚 比 为 41 余海燕,等:湿热环境中碳纤维复合材料层合板的强度退化及老化寿命预测 32∶1,跨距为64mm,支座和压头的半径均为5mm, 压头的加载速度为1mm·min -1。 CFRP弯曲强度的计算公式为 σ= 3PL 2bh 2 (2) 式中:σ为弯曲强度;P 为弯曲破坏载荷,即最大弯 曲载荷;b,h 分别为层合板横截面的宽度和高度;L 为试样长度。 CFRP性能的离散性比金属材料更显著,而且 CFRP对机械加工更敏感。为了更加客观地评价试 验数据的可重复性,采用标准差与平均值的比值,即 变异系数CV 来客观描述数据的离散程度,其表达 式为 CV = SN x- ×100% (3) 式中:SN 为标准差;x- 为平均值。 取15% 作 为 CV 上 限 值[12],当 CV 大 于 15% 时,需分析是否因为试验方法不当或工艺不合格等 原因而造成试验数据的离散,然后排除不合格的试 样并补充试验。 

2 试验结果与讨论

 2.1 吸湿率 

图1 CFRP层合板在25,50 ℃水浴温度下的吸湿率随 吸湿时间的变化曲线 Fig.1 CurvesofmoistureabsorptionrateofCFRPlaminatesvs moistureabsorptiontimeatbathtemperatureof25 ℃ and50 ℃ 图1为CFRP层合板在25,50℃水浴温度下的 吸湿率 随 吸 湿 时 间 的 变 化 曲 线,计 算 得 到 在 25, 50 ℃水浴温度下吸湿率的变异系数分别为3.28% 和3.27%,变异系数均小于15%,说明试验数据合 理。由图1可知:在同一水浴温度下,吸湿率随着吸 湿时间的增加而增大,25 ℃下 CFRP层合板在吸湿 720h 后 达 到 吸 湿 饱 和,饱 和 吸 湿 率 为 0.32% ~ 0.35%,50 ℃下层合板在吸湿816h后达到吸湿饱 和,饱和吸湿率为0.74%~0.80%;在吸湿初期,吸 湿率快速增加,随着时间的延长,吸湿率增加幅度减 小直至达到吸湿饱和;在相同吸湿时间下,CFRP层 合板在较高水浴温度下的吸湿率较大,且 CFRP层 合板 在 50 ℃ 水 浴 温 度 下 的 平 均 饱 和 吸 湿 率 为 0.77%,高于在25 ℃下的(0.33%)。水浴温度的升 高使得水分子在 CFRP层合板中的扩散速率加快, 树脂基体聚合物极性官能团的水解反应更加充分, 从而导致吸湿率的增加[13]。

 2.2 拉伸强度的退化

 由图2可知:25 ℃水浴吸湿试验后,CFRP层合 板的拉伸强度随着吸湿率的增加略微下降;50 ℃水 浴吸湿试验后,随着吸湿率的增加,CFRP层合板的 拉伸强度整体呈下降趋势,下降幅度为7.4%,显著高 于25℃时的下降幅度。随着水浴温度的升高,CFRP 层合板的拉伸强度受湿热环境的影响程度增大。 图2 25,50 ℃水浴吸湿试验后 CFRP层合板的拉伸强度随吸 湿率的变化曲线 Fig.2 CurvesoftensilestrengthofCFRPlaminatesvsmoisture absorptionrateafterwaterbathmoistureabsorptiontestat 25 ℃ and50 ℃ 

2.3 弯曲强度的退化

 由图3可 以 看 出,25,50 ℃ 水 浴 吸 湿 试 验 后, CFRP层合板的最大弯曲载荷随吸湿时间的增加而 降低。25 ℃ 水 浴 吸 湿 试 验 后,144,288,432,576, 720h下的弯曲载荷-位移曲线斜率分别为0.0757, 0.0743,0.0737,0.0745,0.0726kN·mm -1,可见随 吸湿时间的延长,曲线斜率整体呈略微降低趋势,这 说明层合板的弯曲刚度降低,这是因为水分子进入 CFRP内部后,树脂基体分子间的间距变大,从而导 致基体软化,韧性增强[14]。而在50 ℃水浴吸湿试验 后,144,288,432,576,720h 下 的 曲 线 斜 率 分 别 为 0.0757,0.0716,0.0661,0.0747,0.0712kN·mm -1, 曲线斜率整体降低幅度较大,可知随着温度升高层合 板弯曲模量下降更显著。 由图4可知:随着吸湿时间的延长,不同水浴温 度下层合板的弯曲强度均呈下降趋势,且经过720h 42 余海燕,等:湿热环境中碳纤维复合材料层合板的强度退化及老化寿命预测 图3 25,50 ℃水浴吸湿不同时间后 CFRP层合板的弯曲载荷位移曲线 Fig.3 Bendingload-displacementcurvesofCFRPlaminatesafter waterbathmoistureabsorptionat25 ℃ and50 ℃fordifferenttimes 水浴吸湿后,25,50 ℃水浴温度下的弯曲强度分别 下降了12.5%和17.2%。CFRP层合板在吸湿过程 中,其碳纤维几乎不吸湿,树脂基体吸湿后会发生溶 胀和增塑[15] ;当水分子扩散到纤维与基体界面时, 树脂基体的溶胀会产生剪应力直接作用于界面处, 当剪应力 大 于 界 面 的 黏 接 力 时 界 面 开 裂,从 而 对 CFRP造 成 不 可 逆 的 损 伤。因 此,湿 热 环 境 导 致 CFRP层合板的层间强度大幅度降低。 图4 25,50 ℃水浴吸湿试验后 CFRP层合板的弯曲强度 随吸湿时间的变化曲线 Fig.4 CurvesofbendingstrengthofCFRPlaminatesvsmoisture absorptiontimeafterwaterbath moistureabsorptiontest at25 ℃ and50 ℃ 

2.4 拉伸断口形貌 

图5中白 色 部 分 为 环 氧 树 脂 基 体,黑 色 部 分 为碳 纤 维。 由 图 5 可 以 看 出:水 浴 吸 湿 试 验 前 CFRP层合板拉伸断口呈不规则海浪状,碳纤维排 列比较整齐且与树脂结合紧密;25 ℃吸湿饱和后 CFRP层合板拉伸断口中碳纤维与树脂 基 体 间 的 结合不如水 浴 吸 湿 试 验 前 的 紧 密,断 口 中 浸 出 少 量树脂成分;50 ℃吸湿饱和后断口中碳纤维的排 列不再紧密,碳纤维与树脂间的界面出现了裂缝, 树脂基体 变 得 疏 松,浸 出 的 树 脂 量 增 多。这 些 说 明湿热环境导致碳纤维与树脂基体间界面的黏接 性能降低,且随着水浴温度的升高,碳纤维与树脂 间界面损伤更严重,裂缝更明显,在宏观上表现为 拉伸强度和弯曲强度的降低。 图5 水浴吸湿试验前及不同温度吸湿饱和后 CFRP层合板的拉伸断口形貌 Fig 5 TensilefracturemorphologyofCFRPlaminatesbeforewaterbathmoistureabsorptiontest a and aftersaturatedmoistureabsorptionatdifferenttemperature b-c 

2.5 剩余强度和服役寿命 

在湿热环境中 CFRP 层合板的剩余强度是决 定其服役可靠性的一个关键指标。通过计算不同水 浴吸湿试验条件下的 CFRP 层合板的屈服强度与 初始屈服强度的比值得到 CFRP 层合板的弯曲强 度下降百分比,再与吸湿率进行拟合,结果如图6所 示,拟合方程为 F25 =29.029δ 2 +26.762δ (0.13<δ <0.33) (4) F50 =5.711δ 2 +17.599δ (0.33<δ <0.76) (5) 式中:F25,F50 分别为25,50 ℃ 水浴温度下 CFRP 层合板的弯曲强度下降百分比。 目前水浴吸湿试验是基于时温等效原理的加速 43 余海燕,等:湿热环境中碳纤维复合材料层合板的强度退化及老化寿命预测 图6 25,50 ℃水浴吸湿试验后 CFRP层合板弯曲强度下降百 分比与吸湿率的拟合曲线 Fig.6 Fittingcurvesofdecreasepercentageofbendingstrength andmoistureabsorptionrateofCFRPlaminatesafterwater bathmoistureabsorptiontestat25 ℃ and50 ℃ 试验,即采用提高温度来体现延长时间的效果,由此 获得的吸湿饱和时间不是材料真实服役环境下的时 间,尚不能直接作为工程应用参考数据。为此,需要 根据湿热环境下的环境当量将加速老化时间等效为 真实老化时间。湿热环境下的环境当量系数 K 的 计算公式[16]为 K = t2 t1 = exp(-C/θ1φ1) exp(-C/θ2φ2) (6) 式中:t1 和t2 分别为真实老化时间和加速老化时 间;θ1 和φ1 分别为真实服役环境的温度和相对湿 度(≤1);θ2 和φ2 分别为加速老化环境的温度和相 对湿度(≤1);C 为环境系数,当θ2<60 ℃时,C 取 46.10,当θ2≥60 ℃时,C 取81.47。 CFRP层合板在50 ℃加速老化环境中的吸湿 饱和时间为816h,若计算该材料在20℃、相对湿度 为50%环境下的真实吸湿饱和时间,则C 取46.10, φ1 和φ2 分别取0.5和1,θ1 和θ2 分别为20 ℃和 50 ℃,计算可得该湿热环境下的环境当量系数为 0.025,真实吸湿饱和时间为32640h,即 CFRP 层 合板在20 ℃、相对湿度50%环境下的真实吸湿饱 和时间为32640h。 由式(5)反求可得弯曲强度下降85%时,CFRP 层合板在50 ℃水浴温度下的吸湿率约为0.695%。 对图1中50 ℃水浴温度下 CFRP层合板的吸湿率 数据进行拟合,拟合公式为 δ=0.09461+0.02366t (7) 式中:t为吸湿时间。 将吸湿率0.695%代入式(7)中,得到吸湿时间 为644 h。 再 根 据 式 (6)可 得 CFRP 层 合 板 在 20 ℃、相对湿度 50% 环境中弯曲载荷下的真实服 役寿命为25757h。

 3 结 论

 (1)CFRP层合板的吸湿率随吸湿时间的延长 而增大,直至达到吸湿饱和;CFRP 层合板在50 ℃ 水浴温度 下 的 平 均 饱 和 吸 湿 率 为 0.77%,高 于 在 25 ℃下的(0.33%),在相同吸湿时间下,CFRP层合 板在50℃水浴温度下的吸湿率大于在25℃水浴温 度下的。 (2)25 ℃水浴吸湿试验后 CFRP 层合板的拉 伸强度随着吸湿率的增加略微下降,50 ℃水浴吸湿 试验后,随着吸湿率的增加,CFRP层合板的拉伸强 度整体呈 下 降 趋 势,下 降 幅 度 为 7.4%,显 著 大 于 25 ℃时的下降幅度。随着吸湿时间的延长,不同水 浴温度下层合板的弯曲强度均呈下降趋势,且经过 720h水浴吸湿后,25,50 ℃水浴温度下的弯曲强度 相比初始强度分别下降了 12.5% 和 17.2%。随着 水浴温度的升高,CFRP 层合板碳纤维与树脂间界 面损伤更严重,裂缝更明显。 (3)基于剩余强度和环境当量系数的真实老化 寿命预测方法可为湿热环境下 CFRP 层合板的服 役可靠性评估提供依据。 

来源：材料与测试网