《飞机结构腐蚀与防护》课件-复合材料老化机理

复合材料的腐蚀/老化机理飞机结构腐蚀与防护引入碳纤维复合材料因轻质、高模量、高强度等特性，在军用飞机制造业中占据重要地位。这种材料广泛用于飞机壳体、机翼、机架、横梁、阻流板、尾翼舵、起落架、螺旋桨、发动机舱门等部件，显著减轻整机结构重量，改善飞机可靠性和维修性。碳纤维复合材料通过在有机树脂基体中添加增强纤维制成，通常基体为环氧树脂。因其高强度质量比和硬度，已成为航空领域的重要材料。请同学们思考复合材料失效机理？/CONTENTS目录复合材料老化降质机理01湿热降质机理02复合材料老化降质机理PART01PMC主要由纤维、纤维与基体的界面以及树脂基体三个核心要素构成。一、复合材料老化降质机理（一）碳纤维增强树脂基复合材料（PMC）经过长时间的老化过程，PMC的主要设计性能，如刚度、强度及疲劳寿命等，均会发生变化。这些性能的变化与树脂基体力学性能的演变紧密相关，而与碳纤维的影响相对较小。因此，在多种环境条件下，树脂基体性能的变化成为决定PMC强度降低或变化的关键因素。一、复合材料老化降质机理（二）树脂老化降质树脂聚合物在作为PMC基体时，其性能在环境影响下所发生的变化被称为树脂老化降质。这种老化降质的过程涉及多种机理，主要包括化学老化、物理老化和机械老化。这些老化机制在树脂性能退化过程中起着至关重要的作用，需要我们在实际应用和研究中给予充分关注和考虑。一、复合材料老化降质机理（三）化学老化化学老化是指树脂聚合物链发生不可逆变化的过程，主要表现为交联和链降解。其降质机理涉及热氧化、热和水解等多个方面。在PMC的正常使用温度范围内（20℃至176℃），交联和氧化是主导因素。然而，当使用温度过高或时间过长时，热氧化的影响将变得尤为重要。这一过程导致交联度增加，当交联度达到一定程度时，将提高有机玻璃化转变温度，进而对该材料的物理性能产生显著影响。一、复合材料老化降质机理（四）物理老化物理老化定义树脂聚合物在玻璃态范围内，其模量、强度、延展性因时效而发生的显著变化。树脂聚合物处在低于其转变温度的环境温度下时，材料因趋于热力学平衡而发生物理老化。物理老化的特点材料的熵、焓和自由体积发生变化，且体积的变化是温度的函数。体积—温度曲线的斜率依赖于材料的降温或升温速率。熵、焓和自由体积的变化将引起力学性能的变化。环境温度在转变温度之下，若材料处于恒温状态，随着时间历程的增长，物理老化表现在材料的体积会连续而缓慢的减小。这种现象发生的原因是材料的体积总是趋于一种理想的平衡状态（环境温度在转变温度以上时这种响应是瞬时发生的）。一、复合材料老化降质机理（四）物理老化由于绝大多复合材料在玻璃态范围内使用，所以物理老化对使用中的复合材料的耐久性有巨大的影响。对所有玻璃态的聚合物将其加热到转变温度以上然后快速冷却，其物理老化是可逆的。由于热固性材料不具备热可逆性，可以推测影响它交联度和链降解的温度有提高的趋势。实际使用中的平均温度和使用期内的热历程对物理老化的速率有强烈的影响。一、复合材料老化降质机理（五）机械老化机械老化降质是一个宏观可见且不可逆的过程。其机理主要包括基体开裂、分层、界面降质、纤维断裂以及非弹性变形，这些都对工程的刚度和强度等特性产生直接影响。一、复合材料老化降质机理（五）机械老化蠕变、塑性变形和应力松弛等现象均属于机械老化的范畴。当材料内部应力超过一定水平，其响应将超出弹性范围而进入塑性状态，这一应力水平被定义为弹性极限。在应力去除后，仍然存在的应变被称为非弹性应变或塑性应变。尽管塑性变形过程中会伴随随时间变化的应变，但塑性应变本身是不随时间改变的。蠕变则是指材料在恒定应力下随时间发生的连续变形。一、复合材料老化降质机理（五）机械老化通常由以下几个要素组成：初始蠕变阶段蠕变速率逐渐减小；恒定蠕变阶段蠕变速率保持稳定；加速蠕变阶段在材料破坏前蠕变速率逐渐增大。应力松弛则是指材料在恒定应变条件下应力随时间逐渐减小的过程，最终应力会趋于一个稳定值。一、复合材料老化降质机理（五）机械老化通常由以下几个要素组成：初始蠕变阶段蠕变速率逐渐减小；恒定蠕变阶段蠕变速率保持稳定；加速蠕变阶段在材料破坏前蠕变速率逐渐增大。值得注意的是，在某些情况下，机械降质可能是在化学老化和物理老化改变聚合物特性之后才变得显著的。例如，对于热固性材料，若基体经常沿曝光面或边缘开裂，其热氧化稳定性将成为一个关键问题。一旦裂纹产生，它们将成为机械载荷作用下裂纹扩展的起点，随着裂纹的增长，新的裂纹为热固性材料提供了更多的表面积，进而可能成为新裂纹的起点。湿热降质机理PART02二、湿热降质机理（一）湿热对基体的作用机理基体承载了复合材料绝大部分的吸湿量，其耐湿热性能很大程度上反映了复合材料的耐湿热性。湿热对基体的作用机理主要有以下4个方面：水渗入聚合物基体中，使高分子链之间的距离增大，刚性基团活性增强，基体发生溶胀，进而产生增塑效应。温度升高，聚合物基体链段松弛运动加剧，分子之间作用力减弱，加速形成分子空隙，水向基体扩散能力增强，导致材料的吸湿速率加大。水向基体的吸湿扩散，由此产生的渗透压使基体内部产生新裂纹、微小裂缝或其他类型的形态变化，裂纹的扩散进一步增大吸湿量，甚至使基体破裂。高温下水与基体中的酰胶基、醚键、氯基等亲水基团发生水解反应，导致断链和解交联二、湿热降质机理（二）湿热对界面的作用机理01基体吸水溶胀与纤维吸湿量不匹配，导致界面处剪应力和裂纹产生，界面结合力减弱。02水使界面区基体和纤维水解，降低界面结合力。03高温下，纤维与聚合物基体热胀系数差异导致界面内应力形成。04水渗入界面微裂纹，使其扩展，减弱纤维与基体间的粘接力。复合材料的界面是微小区域，连接基体与增强物，对材料性能有关键作用。湿热环境对界面有破坏作用，具体表现为：二、湿热降质机理（三）湿热对纤维的作用机理在微观层面，增强纤维在成型过程中会出现多种缺陷，如结构不均、直径变化、微孔、裂缝或沟槽、气孔和杂质等。在湿热环境下，水分通过吸附作用渗透到纤维缺陷中，沿着微裂纹迅速扩散，促进微裂纹生长，破坏纤维表面结构。在几种常见的聚合物基复合材料增强纤维中，碳纤维的耐水性最佳，玻璃纤维次之，芳纶纤维最差。玻璃纤维作为增强体时，水分会对其产生化学作用，破坏其结构。