[聚合物基复合材料]聚合物基复合材料加速老化方法研究进展

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1、[聚合物基复合材料]聚合物基复合材料加速老化方法研究进展篇一:聚合物基复合材料加速老化方法研究进展前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。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,这方面的基体的老化聚合物基复合材料的耐湿热性在

2、很大程度上取决于基体材料的耐湿热性。水分对树脂基体的影响为:①水使基体发生溶胀,使纤维与基体的界面产生沿纤维径向的拉应力,加快水的吸收;②溶胀使基体大分子结构间距增大,刚性基团的活性增加,因而使基体增塑;③水向基体的吸湿性扩散,由此产生渗透压使基体内部产生裂纹、微小裂缝或其他类型的形态变化,使吸湿量增加;④水助长裂纹的扩散,可使基体破裂;⑤基体水解导致断链和解交联。其中,基体溶胀和塑化是可逆的,材料经干燥后就可以恢复;而基体的裂纹扩散和水解是不可逆的,其对材料的破坏是永久性的。纤维的老化纤维的耐水性也是影响聚合物基复合材料耐水性不可忽视的因素。对于各种增强纤维,碳纤维

3、的抗湿性较好,玻璃纤维次之,芳纶较差。湿热环境对纤维增强复合材料中纤维的影响可用材料轴向性能的变化来表征。研究表明,吸湿基本不影响单向复合材料的拉伸性能。界面的老化聚合物基复合材料的耐水性不仅取决于树脂基体和纤维的耐水性,还取决于它们之间的界面结合情况。只有良好的界面结合,才能保证复合材料具有良好的耐水性。进入复合材料中的水对复合材料界面具有破坏作用,水主要通过以下几种方式来破坏界面:①基体发生溶胀,这样会对纤维产生1个剪应力,当这种剪应力大于界面粘结力时,就引起界面脱粘破坏,从而不能有效传递应力;②渗入界面相上的微裂纹,促使界面裂纹的增长;③渗透进入界面,破坏纤维与

4、基体的化学结合。界面的破坏均属不可逆破坏,对材料的影响是永久性的。1.3　湿热老化对材料力学性能的影响聚合物基复合材料吸湿后,它的力学性能将发生改变,湿态力学性能随吸湿量的变化而变化。湿热环境对复合材料性能的影响已有一些报道,研究表明,通常情况下单向复合材料的轴向性能基本不受湿热环境的影响,而横向性能和剪切性能因湿热环境对基体及界面的影响而有所下降,且在浸泡初期,性能下降较快,随着吸湿达到饱和,复合材料的湿态力学性能也趋于某一稳定值。吸湿对复合材料层合板层间断裂韧性的影响比较复杂。Russell等的研究结果表明,水分对碳纤维/环氧复合材料的GIC、GIIC基本无影响。

5、而ChouI等和ZhaoS等的研究结果表明,在某一含湿量以下,碳纤维/环氧复合材料的GIC、GIIC随吸湿量的增加而增加,而后随吸湿量的增加而下降直至饱和,因此,他们认为吸水后复合材料的层间断裂韧性存在1个最大值。MitsuguT等分别测量了80℃、RH90%和80℃、水浸条件下放置1500h后的T800H/2500和T800H/3631的静态及动态GIIC,并用SEM观察了断裂面,结果表明,T800H/2500在80℃、水浸条件下,GIIC下降;而在80℃、RH90%条件下,GIIC略有增加;T800H/3631的GIIC在2种条件下均略有下降,2种复合材料的动态G

6、IIC均低于静态GIIC,这是由于冲击载荷下基体的脆性所致。YangZhong等用万能试验机测量了95℃水中浸泡48～480h后的玻璃纤维/乙烯基酯树脂复合材料的压缩强度和模量,结果表明,压缩强度和模量均因材料的吸湿而明显下降,且湿度越高,浸泡时间越长,下降越明显。湿热环境对聚合物基复合材料的影响是湿度和温度的协同作用,升温可以加快吸湿速度,增加材料的平衡吸湿量并缩短平衡时间,同时,高温下水对基体、界面等的影响也更显著。2　腐蚀侵蚀除湿热环境外,化学介质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、

7、扩散,使基体溶胀外,还与其发生化学反应引起其主价键破坏、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。2.1　试验方法根据聚合物基复合材料制品的使用环境,对试样进行相应的腐蚀侵蚀老化试验,且加速老化试验中腐蚀溶液的浓度要大于实际使用中腐蚀溶液的浓度,一般前者是后者的3倍。如作为油田抽油杆用的碳纤维/树脂基复合材料,它用于几千米地层中,长期处于大量地层水及含有酸、碱和气体的原油的浸泡中,其试验使用的腐蚀介质