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1、聚合物基复合材料的老化研究摘要：本文主要介绍了聚合物基复合材料的一些老化类型，尤其对湿热老化、腐蚀侵蚀以及大气老化进行了纤细介绍从机理上阐述了三种老化的老化原因。关键词：聚合物基复合材料、老化、机理1引言聚合物基复合材料因具有比强度、比模量高,抗疲劳性、耐腐蚀性突出,减震能力强,耐高温性能好,破损安全性好和可设计性强等优点,而被广泛应用于航空航天、建筑、机械、汽车、能源、化工、造船、生物工程、医疗器械和体育器材等领域[1]。如在航空领域,聚合物基复合材料已用于制造军用飞机机翼、机身,直升机旋翼、桨毂、发动机匣、叶片等主承力构件及民航大型客机的尾翼、副
2、翼等。随着聚合物基复合材料应用的日益推广,其老化性能的研究已引起人们的普遍重视,这方面的研究工作也有了不少新的进展。聚合物基复合材料在自然环境下使用，性能会受到许多环境因子（如紫外辐射、氧、臭氧、水、温度、湿度、化学介质、微生物等）的影响。这些环境因子通过不同的机制作用于复合材料，导致其性能下降、状态改变、直至损坏变质，通常称之为“腐蚀”或“老化”[2]。2加速老化方法按老化类型分,聚合物基复合材料的老化有大气自然老化和人工加速老化两类。大气自然老化是评估材料寿命最直接的方法,也是最可靠的方法,但是时间跨度大,通常需要10年或更长的时间,很难跟上材料
3、研究的高速发展;相对来说,人工加速老化试验周期短,一般只需要三四个月的时间[3],所以备受人们的青睐。聚合物基复合材料加速老化试验项目包括湿热老化、热老化、水浸泡、紫外老化、臭氧老化、盐雾老化、腐蚀侵蚀、人工气候老化等。聚合物基复合材料的加速老化研究以湿热老化、腐蚀侵蚀和人工气候老化为主。3湿热老化国内外许多学者的研究表明湿度和温度的协同作用对聚合物基复合材料结构的性能有显著的影响。聚合物基复合材料在湿度和温度的协同作用下形态、质量、力学性能等指标发生改变的过程称为复合材料的湿热老化。湿热老化过程中聚合物基复合材料的吸湿主要涉及4个方面:水分子在树脂
4、基体中的扩散，水分子沿纤维基体界面的毛细作用，水在孔隙、微裂纹和界面脱粘等缺陷中的聚集，水向增强纤维微裂纹的吸附、渗透[4]。温度的变化会显著影响吸湿过程，吸湿的水分在温度协同下与复合材料各组分相互作用，发生一系列物理和化学反应，在宏观上表现为复合材料性能的改变。3.1湿热作用机理3.1.1对基体作用基体承载了复合材料绝大部分吸湿量，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[5-6]：1）水渗入到树脂基体中,使高分子链之间的距离增大,刚性基团活性增加，基体发生溶胀，进而产生增塑；2）温度升高,树脂基体链段松弛运动加剧
5、，分子间作用力减弱，加速形成分子空隙，水向基体扩散能力加大，使材料吸湿率与饱和吸湿量均增大；3）水向基体吸湿扩散，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；4）高温下水与基体中酰胺基、醚键、胺基等亲水基团发生水解反应，导致断链和解交联。3.1.2对界面作用复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。界面对复合材料性能特别是力学性能起着极为重要的作用，湿热环境对复合材料界面具有破坏作用，主要表现为[7]：1）基体吸水溶胀,吸湿量远大
6、于纤维吸湿量,使树脂基体和纤维的体积膨胀不匹配，导致纤维/基体界面产生剪应力，进而产生裂纹，导致界面结合力下降；2）渗入到界面处的水使界面区基体和纤维发生水解，使界面结合力降低；3）高温下由于纤维与树脂基体热膨胀系数的差异，致使界面产生内应力；4）水助长界面相上微裂纹的扩展，破坏界面结构。3.1.3对纤维的作用从微观尺度看纤维结构中存在很多缺陷，如结构不匀、直径变异、微孔、裂缝或沟槽、气孔、杂质等。湿热环境下，由于吸附作用，水分将吸附并渗透到纤维缺陷中并沿着纤维微裂纹迅速扩散,促使微裂纹的生长，破坏纤维的表面结构。4腐蚀侵蚀除湿热环境外,化学介质(酸
7、、碱、盐、有机溶剂等)也是常见的环境条件。与水对聚合物基复合材料的影响相比,化学介质的影响要复杂且强烈得多。化学介质除向复合材料内部渗透、扩散,使基体溶胀外,还与其发生化学反应(生成盐类、水解、皂化、氧化、硝化和硫化)引起其主价键破坏、裂解等,此时,复合材料中的被溶物、降解及氧化产物也从复合材料向介质析出、流失。化学介质对复合材料的腐蚀除使其性能降低外,还会引起其外观和状态的变化,如失去光泽、变色、起泡、出现裂纹及纤维裸露等。4.1腐蚀侵蚀的机理4.1.1对基体的作用化学介质对聚合物基体有2种作用方式：化学介质扩散或经吸收而进入树脂基体内部，导致树脂
8、基体性能改变，称为物理腐蚀；化学介质与树脂基体发生化学反应,如降解或生新的化合物等，从而改变树脂基体原来的性
