弯曲载荷下碳纤维_双马复合材料湿热特性实验研究_W

1、复 合 材 料 学 报Acta Materiae CompositaeSinica第 26 卷Vol126第 5 期No1510 月2009 年October2009文 章 编 号 : 1000 - 3851 (2009) 05 - 0080 - 06弯曲载荷下碳纤维/ 双马复合材料湿热特性实验研究苏佳智 , 顾轶卓, 李敏3, 张佐光(北京航空航天大学 材料科学与工程学院, 北京 100191)研究了碳纤维/ 双马复合材料单向层板在三点弯曲载荷作用下 70 水浸的湿热特性 , 测试分析了层板摘 要 :的吸湿量、玻璃化转变温度、弯曲性能及其破坏模式随湿热时间的变化 , 通过对比研究弯曲载荷作用

2、和无外载荷条件下层板湿热性能的差异 , 探讨了应力对复合材料湿热行为的作用规律。结果表明 : 弯曲载荷作用下试样整体的吸湿规律、剩余弯曲性能等方面与未加载情况相比没有显著差异 , 但弯曲加载试样吸湿饱和前相同吸湿率时玻璃化转变温度下降更多; 弯曲加载试样受压应力部分吸湿速度小于受拉应力部分 , 同时弯曲断口的扫描电镜照片显示 , 与未加载情况相比弯曲加载试样受拉应力部分树脂与纤维粘结较弱 , 说明应力会对复合材料湿热性能产生影响 , 并且不同方向应力的作用规律不同。碳纤维复合材料层板; 双马来酰亚胺树脂; 湿热特性; 弯曲载荷关键词 :中图分类号 :TB332文献标志码 : AHygrothe

3、rmal behavior of carbon f iber/ bismaleimide resin composite under flexural loadSU Jiazhi , GU Yizhuo , L I Min 3 , ZHAN G Zuoguang( School of Materials Science and Engineering , Beijing University of Aeronautics and Astronautics , Beijing 100191 , China)Abstract :Hygrothermal behavior of unidirecti

4、onal carbon fiber reinforced BMI matrix composite laminates wasinvestigated , which were subjected to three 2point flexural load in the distilled water at 70 for different times. Compared with the unstressed specimens , there are no significant differences in apparent moisture absorption , as thegla

5、ss t ransition temperature and residual flexural properties were observed for flexural 2stressed specimens.However , the flexural2stressed specimens show a greater decrease in glass t ransition temperature before saturation.The tensile2 stressed section absorbs water faster than the compressive 2 st

6、ressed section for the flexural 2 stressed specimens. The SEM of the flexural f racture surface shows that the adhesion property of the fiber and matrix in the tensile2 f racture section of the stressed specimens suffers more severe deterioration than that of the unstressed specimens. It indicates t

7、hat the stress has significant influence on the hygrothermal property of the composite ,which depends on the direction of the stress.Keywords :carbon fiber composite laminate ; bismaleimide (BMI) resin ; hygrothermal behavior ; flexural load飞机结构用复合材料服役期间处于不断变化的湿度、温度和载荷环境中 , 载荷与湿热环境条件的共同作用对复合材料的性能及其演

8、变过程有着直接的影响。目前 , 湿热条件下复合材料的老化行为和性能变化已有大量研究 , 湿热机制可以从材料内部应力变化的角度解释。水分进入树脂交联网络使其溶胀塑化 , 体系网链密度降低 , 这一方面会影响原有残余应力的变化, 另一方面又会导致新应力的形成。界面处裂纹等损伤的形成和扩展 , 而外加载荷的影响使这一过程更为复杂 , 并且会打破原先一定温度下的溶胀平衡 , 对平衡吸湿量造成影响。研究表明 , 不同加载方向的应力对复合材料的湿热行为会产生影响 1 - 6 , 对于拉伸和压缩加载 , 认为拉应力会促进吸湿 , 增大吸湿速率和吸湿率 , 而压应力则会阻碍吸湿 , 此现象可用自由体积模型进行

9、解释 , 即拉应力增大了树脂的自由体积而压应力则减小了自由体积 , 从而把加载的影响归结为树脂自由体积的变化 , 但该模型忽略了加载所引起损伤的影响。基体的溶胀使得纤体界面上产生沿纤维径向的拉应力 , 水扩散产生的渗透压会影响基体、收稿日期 : 2008 - 10 - 07 ; 收修改稿日期 : 2009 - 02 - 14基金项目 : 国家 863 项目 (2006AA03 Z556)通讯作者 : 李 敏, 博士, 主要从事树脂基复合材料方面的研究工作E2mail : leemy buaa. edu. cn苏佳智, 等: 弯曲载荷下碳纤维/ 双马复合材料湿热特性实验研究81 除了吸湿行为 ,

10、 加载对复合材料的性能、断裂韧性等也会产生影响 7 - 12 。对于加载/ 湿热环境 , 目前的研究多集中于环氧体系及玻璃纤维复合材料 , 对于抗湿热性能优异的碳纤维/ 双马树脂基复合材料 , 外加载荷对其湿热行为的影响程度和作用规律尚不清楚。本文中重点考察了弯曲载荷对碳纤维/ 双马单向复合材料层板湿热行为的影响, 采用自制的加载装置对单向层板施加 30 %弯曲强度的载荷 , 测试了 70 水浸不同时间后层板的吸湿状况、动态力学性能、剩余弯曲性能及其破坏模式 , 并与无载荷湿热条件下的层板进行对比 , 分析了拉、压应力对碳纤维/ 双马体系湿热行为的影响, 为湿 - 热 - 力耦合作用下复合材料

11、性能演化规律的研究提供了实验依据。图 1 弯曲加载装置Fig. 1 Flexural loading device式中: Mt 为吸湿一定时间 t 后的吸湿率; m 为吸湿后试样的质量; m0 为干态试样的质量。1. 4 弯曲性能测试与断口形貌观察采用 GB/ T 3356 - 1999 对湿热处理一定时间的试样进行弯曲性能测试 , 所用设备为 Inst ron 万能试验机。对于弯曲加载下湿热处理的试样 , 测试时试样受拉受压面与弯曲加载时保持一致。试样弯曲断裂后对横截断面喷金 , 采用J SM - 5800 扫描电镜分析破坏状况。1. 5 动态力学热分析 ( DMTA)对湿热不同时间的复合材

12、料进行动态力学热分析测试。动态力学分析仪为 Rheometric Scientific DM TA 型 , 试 样 尺 寸 为 38 mm 8mm 2mm , 形变模式为三点弯曲, 频率 1 Hz , 升温速率 10 / min ,取 E- T 曲线上的峰顶温度为玻璃化转变温度Tg 。1实验1. 1材料碳纤维/ 双马层板 , 北京航空制造工艺研究所 ,厚度 2 mm , 单向铺层 , 纤维体积含量 60 % ; 双马树脂 , 北京航空制造工艺研究所。1. 2加载方法依据单向纤维增强塑料弯曲性能试验方法GB/ T 3356 - 1999 , 并采用自制的加载装置实现对试样弯曲载荷的施加 , 如图

13、 1 所示。加载装置压头半径为 5 mm , 2 个支座圆角半径为 2 mm , 压头上套有弹簧 , 根据弹簧的弹性系数通过螺母调节弹簧的形变即可调节载荷大小 , 载荷通过压头传递到试样 上 , 试 样 尺 寸为 80 mm 12 . 5 mm 2 mm , 加载装置与弹簧所用材料皆为不锈钢。实验中弯曲载荷的大小为层板弯曲强度的 30 % , 对于本文中所采用的碳纤维/ 双马层板施加的弯曲载荷为 558 MPa 。飞机结构复合材料实际承载最大一般为设计许用载荷的80 %左右 , 考虑到加载湿热会使层板性能下降20 % 左右 , 因而加载载荷不超过 60 %。故本文中选取的载荷大小为中间值 ,

14、即 30 %弯曲强度。1. 3吸湿率测量湿热条件: 去离子水 , 70 恒温水浸。弯曲加载试样与未加载试样同时浸入去离子水中开始湿热实验 , 相关操作参考航空标准 HB 7401 - 96 (加载试样与未加载试样尺寸相同 , 每组个数为 5) 。吸湿2结果与讨论2. 1 吸湿行为分析首先通过测定吸湿曲线研究了碳纤维/ 双马复合材料的吸湿行为 , 70 水浸条件下弯曲加载与未加载的吸湿曲线如图 2 所示。可以看到 2 种情况下吸湿曲线几乎重合 , 说明弯曲载荷对试样整体的吸湿行为没有影响。采用 Nicolet 560 型红外光谱仪对双马树脂吸湿前后进行红外分析 , 红外吸收峰谱对比如图 3 所示

15、。谱峰基本没有什么变化 , 说明树脂在湿热过程中未发生化学反应 , 湿热环境主要引起了物理性质的变化。另外 , ACTIS600/ 420 KV 工业 CT (可探测的最小缺陷尺寸为 200 300 m) 无损探伤发 m - m0 m0100 %Mt =(1)复 合 材 料学 报82 现 , 弯曲载荷与湿热共同作用下层板内部未产生明显的裂纹等损伤 , 即便是在 60 %弯曲强度、100 水煮直至试样断裂的情况下 (如图 4 所示) , 除了压头位置的失效断裂处之外 , 也未观察到明显的微裂纹。这说明对于碳纤维/ 双马体系 , 弯曲载荷下吸已有研究表明, 拉应力会增大树脂的自由体积促进吸湿 ,

16、而压应力则阻碍吸湿 , 弯曲载荷下试样上半部分受压应力 , 下半部分受拉应力 , 这可能会造成层板不同位置处吸湿状况不同 , 为此采用沿厚度方向单面吸湿的方法分别研究了受拉与受压部分的吸湿行为。实验中 , 在试样受压表面及 4 个侧面粘贴铝箔 , 使水分主要从受拉面进入 , 同时采用类似的方法制备试样 , 使水分主要从受压面进入。图5 为铝箔包裹后的试样示意图。湿机制仍然以基体的塑化、溶胀作用为主造成的水分扩散可以忽略。, 微裂纹图 2 弯曲加载与未加载碳纤维/ 双马层板70 水浸吸湿曲线对比Fig. 2 Moist ure absorption curves of carbon fiber/

17、 BMI laminate immersed in distilled water at 70 wit h and wit hout flexural load图 5 铝箔包裹后的弯曲加载试样Fig. 5 Specimens covered by aluminum foil under flexural load图 6 给出了受拉与受压面 40 天的吸湿曲线。可以看到 , 受拉面吸湿度大于受压面 , 如 70 水浸72 h 后, 受拉面吸湿的试样吸湿率为 0. 342 % , 大于受压面吸湿试样的 0. 313 % , 说明外加载荷确实会对复合材料的吸湿行为产生影响。但由于弯曲载荷下应力对层板

18、上下部分的吸湿行为影响作用相反 , 再加上碳纤维/ 双马抗湿热性能好、吸湿率低 ,因此试样整体的吸湿量与未加载情况基本相同。2动态力学性能对比图 7 是弯曲加载与未加载条件下 , DM TA 测 得的 Tg 随吸湿率的变化情况。可以看到吸湿饱和前相同吸湿率下 , 30 %弯曲强度加载的试样 Tg 下降更多 , 可以认为弯曲加载下层板的耐热性降低程度大于未加载情况。从 E- T 曲线看, 湿热后原有转变峰向低温移动, 同时湿热一定时间后会出现一个肩峰, 弯曲加载与未加载情况差异不大, 如图 8 所示。说明 DM TA 并不能区分出受拉面与受压面的 2 种吸湿状态。2.图 3 双马树脂吸湿前后红外

19、吸收峰对比Fig. 3 Comparison of IR spectra for BMI resin before and after absorbing water图 4 工业 CT 无损探伤照片Fig. 4 Non2destructive testing image of CT苏佳智, 等: 弯曲载荷下碳纤维/ 双马复合材料湿热特性实验研究83 2. 3 弯曲性能变化与破坏模式由表 1 可以看出 , 不论未加载还是弯曲加载情况 , 70 水浸 14 天后 , 弯曲强度保持率都在 86 % 以上 , 而弯曲模量基本没有变化。弯曲加载与未加载情况相比 , 性能变化差异不大 , 表明碳纤维/ 双

20、马体系抗湿热性能高; 同时说明由于弯曲加载下层板内部没有产生明显的损伤 , 因此性能的下降程度依然由平均吸湿量决定。表 1 碳纤维/ 双马层板弯曲性能保持率Table 1Retention of flexural propertiesof carbon f iber/ BMI laminate图 6 碳纤维/ 双马层板受拉面与受压面吸湿曲线对比Fig. 6 Comparison of moisture absorption curves of carbon fiber/ BMI laminate between tensile st ress and compressive st ress s

21、ectionsHygrot hermalenvironmentFlexural st rengt hretention/ %Flexural modulusretention/ %Dry100 . 0100 . 0Stressed 1 day92 . 0105 . 2Unstressed 1 day93 . 0103 . 2Stressed 3 days90 . 2100 . 8Unstressed 3 days92 . 5106 . 3Stressed 7 days90 . 8103 . 0Unstressed 7 days86 . 8101 . 0Stressed 14 days88 .

22、097 . 6Unstressed 14 days86 . 596 . 2在弯曲性能测试中 , 相比于干态试样 , 湿热后试样弯曲断裂时呈现“韧性”断裂特征 , 如图 9 所示。未吸湿时试样无一例外地脆性崩断 , 应力 - 位移曲线为直线; 而弯曲加载和未加载吸湿后均有试样出现了阶梯式曲线 , 即纤维不是同时断裂 , 而是图 7 弯曲加载与未加载碳纤维/ 双马层板 Tg随吸湿率变化图Fig. 7 Plot s ofTg versus moisture uptake for flexural2st ressed and unst ressed carbon fiber/ BMI laminate

23、s图 8 弯曲加载与未加载碳纤维/ 双马层板 70 水浸不同时间后损耗模量变化曲线Fig. 8 Plots of loss modulus versus temperature for flexural2stressed andunstressed carbon fiber/ BMI laminates after different hygrothermal times图 9 70 水浸前后碳纤维/ 双马层板弯曲应力- 位移曲线Fig. 9 Plot s of flexural st ress versus displacement for carbon fiber/ BMI laminat

24、e before and after absorbing water复 合 材 料学 报84 图 10 不同湿热条件下弯曲断口受拉断裂部分 SEM 照片Fig. 10Scanning electron micrograph of tensile fracture section under flexural load after immersed in distilled water at 70 for different times逐步破坏 , 这一方面可能是吸湿水的增塑作用 , 另一方面可能是湿热后界面受到一定程度的破坏 , 部分纤维在受力情况下发生了脱粘拔出 , 从而延迟了断裂。影响。结

25、(1)条件下论实验范围内 , 弯曲加载与未加载 70 水浸, 碳纤维/ 双马单向复合材料层板吸湿主要3图10 为不同湿热条件下弯曲断口受拉断裂部分 SEM 照片。弯曲断口 SEM 照片显示 , 所有情况下断口基本比较平整 , 拔出纤维较短 , 表现为脆性断裂 , 说明碳纤维/ 双马层板的界面在湿热过程中破坏程度小。但从细节上看 , 加载试样受拉面破坏更严重。如图 10 所示 , 弯曲加载后试样弯曲断口受拉断裂部分的纤维比未加载试样分散 , 整体同时断裂的纤维团簇小于未加载试样 , 即有更多的树脂/ 纤维粘结面受到了破坏 , 表明弯曲加载后试样受拉部分界面破坏程度比未加载严重 , 这与拉应力对吸

26、湿的促进作用是一致的。因此对于更长的湿热时间或抗湿热性能较差的材料体系 , 必须充分考虑不同方对基体产生物理作用 , 层板内部未出现明显的微观开裂和化学变化。(2) 不同方向的载荷对层板的吸湿行为影响不同 , 弯曲加载试样整体的吸湿行为与未加载试样无明显差别 , 但试样受压部分吸湿速度小于受拉部分 , 说明拉应力对吸湿有促进作用。(3)弯曲加载与未加载情况相比 , 剩余弯曲性能及破坏模式方面无明显差异 , 但吸湿饱和前相同吸湿率下弯曲加载试样Tg 比未加载试样下降更多;弯曲加载试样的受拉部分树脂与纤维粘结状况更差 , 更容易出现粘结面的破坏 , 因此应充分考虑湿热过程中载荷对复合材料界面的破坏

27、作用。苏佳智, 等: 弯曲载荷下碳纤维/ 双马复合材料湿热特性实验研究85 参考文献 : 8 Vina J , Garcia M A. Evolution of t he impact st rengt h of carbon fiber2reinforced PEI following exposure to mechanical hygrot hermal and hygrot hermomechanical aging J . Journalof Composite Materials , 2007 , 41 (19) : 2337 - 2346 . 1 Neumann S , Maro

28、mG. Stress dependence of t he coefficientof moisture diffusion in composite materials J . Polymer Composites , 1985 , 6 (1) : 9 - 12.Neumann S , Marom G. Free 2 volume dependent moisturediffusion under st ress in composite materials J . Journal of Materials Science , 1986 , 21 (1) : 26 - 30 .Neumann

29、 S , Marom G. Prediction of moisture diffusion parameters in composite materials under st ress J . Journal of Materials Science , 1987 , 21 (1) : 68 - 80 .Wan Y Z , Wang Y L , Huang Y , He B M , Han K Y. Hygrot hermal aging behaviour of VAR TMed three2 dimensional braided carbon - epoxy composites u

30、nder external st resses J . Composites Part A : Applied Science and Manufacturing , 2005 , 36 (8) : 1102 - 1109 .Helbling C , Karbhari V. Investigation of t he tensile st rengt h behavior of E2 glass/ vinyl 2 ester composite under synergistic hygrot hermal exposure and sustained st rain C 管国阳, 矫桂琼,

31、潘. 湿热环境下复合材料的混合型层 9 2 间断裂特性研究 J . 复合材料学报, 2004 , 21 ( 2) : 81 - 86. Guan Guoyang , Jiao Guiqiong , Pan Wenge. Experimental study on t he interlaminar f racture toughness of composite laminate on hygrot hermal conditions J . Acta Materiae Compositae Sinica , 21 (2) : 81 - 86.Wright W W. The effect of diffusion of water into epoxy resins and t heir carbon fiber reinforced composites J . Composites , 1981 , 12 (3) : 201 - 205 ., 杨小平, 于运花, 等. 湿热环境对抽油杆 CF/ V