循环湿热环境对树脂基复合材料弯曲性能的影响

张宇，郭盼盼，熊婕，黄峰，王波

（1.中国航空制造技术研究院复合材料技术中心，北京 101300；2.西北工业大学航空学院，陕西西安 710072）

碳纤维增强树脂基复合材料以其轻质高强、比模量和比强度高、力学性能优良、可设计性好等优点被广泛应用于航空航天、船舶、汽车、新能源等国家生产和人民生活的诸多领域[1-2]。然而，作为结构件在实际应用场景中，这些材料所处的环境通常存在许多复杂的湿热极端因素。由于碳纤维和树脂基体在吸湿后性能差异很大，复合材料内部会产生湿热残余应力。这对树脂基复合材料的应用产生了不可忽视的影响，严重影响了飞行器整体结构的服役寿命[3-4]。

目前，国内外研究者对诸多树脂基复合材料的湿热、力学性能变化规律与材料老化机制的研究取得了较多的成果，但对于循环湿热试验后树脂基复合材料的弯曲力学性能的研究不够丰富。此外，不同的树脂基复合材料、湿热环境下其力学性能变化规律与老化机理也不尽相同。因此，笔者开展了湿热环境下单向铺层以及织物铺层树脂基复合材料的弯曲力学性能研究，期望能够为其应用带来相关的实验依据。

一、试验材料与方法

（一）试验材料

试验材料有两种，分别是单向带制成的层合板试件和织物制成的层合板试件。其中，单向带层合板试件尺寸长200mm，宽13mm，高4mm，铺层形式为[0]32，织物层合板试件尺寸长200mm，宽13mm，高4.14mm，铺层形式为[（0/90）]18。

（二）循环湿热试验

单向带制成的层合板和织物制成的复合材料试件均有35件，两类试件均分成7组，每组5个试件。其中，原始状态试件1组，湿热循环试件6组。本研究参照GJB150.9A-2009《军用装备实验室环境试验方法第9部分：湿热试验》标准中的方法对试件组分别进行湿热试验。湿热试验时，笔者将试件放入WHTM-1000D高低温交变湿热试验箱，以24h为一周期，按照规范试验条件调节试验箱中的温湿度变化，试验条件见表1。6组湿热循环试件分别进行5、10、15、20、25、30个周期（d）的循环湿热老化试验。

表1 湿热试验的试验条件

试件在试验前后采用电子天平分别称量试件的质量，计算试验前后各个试件的质量变化率，取其各组平均值作为此试验周期下试件的质量变化率，并观察试验前后试件的表观形貌变化。

（三）弯曲性能试验

本研究对未经过循环湿热试验的一组原始状态的试件和经过循环湿热试验后的各组试件分别进行弯曲性能测试。弯曲力学性能试验参照ASTM D790-17标准中的三点弯曲试验方法，在UTM5105X电子万能试验机上进行测试，加载采用位移加载的形式，速率为2mm/min，试验中支撑点跨距为64mm，跨高比为16：1。测试环境为正常的室温大气条件，温度范围为15℃～35℃，相对湿度（RH）范围为20%～80%。

二、结果分析

（一）循环湿热试验后试件的变化

1.单向铺层试件

图1汇总了各湿热试验周期下单向铺层试件的平均质量变化率。从图1可以看出，截至30个湿热周期，试件的质量随着湿热试验时间的增加而增加。这是因为在湿热环境下，树脂基复合材料试件的增重主要是由于基体吸水。试件在湿热环境暴露越久，吸水量越多，质量变化率值也越大。

图1 各湿热周期下单向铺层试件组的平均质量变化率点线图

从图1还可以看出，吸湿过程表现出两个阶段。第一阶段，材料的吸湿速率较快。这主要是由材料本身的缺陷、裂纹以及树脂本身吸水造成的，在温度和湿度的共同作用下，水分能较快地进入材料内部。第二阶段，材料的吸湿速率明显变缓，并随着吸湿时间的增加，材料的质量增量越来越小，逐渐趋于平衡。此时，材料达到饱和吸湿状态。此阶段的吸水过程较为复杂，主要与树脂基体内亲水基团吸水有关。由此可以看出，单向带层合板材料的吸湿过程表现出菲克扩散行为。

图2是单向铺层试件在不同湿热周期试验前后的照片。从照片上来看，单向铺层复合材料试件经过湿热试验后的外观形貌与试验前几乎没有变化。这是由于在循环湿热试验过程中试件内部由于吸湿膨胀引起的湿热变形和应力较小。因此，试件表面的变化不明显，试验过程中对试件质量的影响较大。

图2 单向铺层试件经过各湿热周期试验后的表面照片

2.织物铺层试件

图3汇总了各湿热试验周期下织物铺层试件的平均质量变化率。从图3可以看出，截至30个湿热周期，试件的质量一直随着湿热试验时间的增加而增加。吸湿过程也表现出两个阶段。第一阶段，材料的吸湿速率较快，质量增加也很快。第二阶段，材料的吸湿速率明显变缓，材料的质量增量也越来越小，逐渐趋于平衡。

图3 各湿热周期下织物铺层试件组的平均质量变化率点线图

图4是织物铺层试件在不同湿热周期试验前后的照片。同单向铺层试件一样，从照片上来看，经过湿热试验后的试件与试验前的试件表观形貌上几乎没有变化。

图4 织物铺层试件经过各湿热周期试验后的表面照片

（二）弯曲性能变化

1.单向铺层试件

图5给出的是单向带铺层试件不同湿热循环周期的载荷位移曲线。试件在未破坏之前的载荷位移曲线基本上为线性，当试件发生局部损伤时，曲线表现出载荷的跌落现象，直至试件失去承载能力。从图5可以看出，单向带铺层试件原始状态和不同循环湿热周期试验后的应力应变曲线斜率变化不大，破坏载荷相差也不大。

图5 单向带铺层试件的载荷位移曲线

表2是经过不同湿热试验周期后单向铺层试件每隔5天弯曲强度和弯曲模量的变化率随湿热周期的数据。其中，0天代表未经过循环湿热试验的原始状态试件。从表2可以看出，单向铺层试件的模量和强度数值随湿热周期变化不大。

表2 不同湿热老化周期后单向铺层试件的弯曲性能

图6是单向铺层复合材料试件的弯曲强度随湿热周期的变化规律图。从表2和图6可以发现，随着湿热老化时间的增加，试件的弯曲强度先下降后增加，但下降和增加幅度均不大。在湿热第5周期，试件弯曲强度下降约4%，在第20周期，弯曲强度增加约3%，25周期之后，弯曲强度又下降至接近未老化前水平并趋于稳定，30周期后，材料的弯曲强度值恢复至稍高于老化前。

图7是单向铺层复合材料试件的弯曲模量随湿热周期的变化规律图。从图7可以看出，试件的弯曲模量随着湿热老化时间的增加，先下降后升高，增加和下降的幅度也不大。在湿热5个周期后，试件弯曲模量下降5.32%，在15个周期后，弯曲模量增加5.041%，随后弯曲模量又开始下降，30个周期后，材料的弯曲模量较于老化前高2.619%。

图7 单向铺层弯曲模量变化规律

复合材料循环湿热后力学性能的变化主要是由于纤维和基体性能的差异造成的。在试验初期，复合材料在较高的温度环境下会经历后固化过程。这一过程可以使树脂基体的交联密度得到进一步的提高。而在潮湿和高温条件下，热量可以使树脂的自由体积收缩。后固化和热作用均能改善其弯曲性能[5]。然而，吸湿会导致基体溶胀增塑，甚至水解产生微裂纹，破坏基体树脂结构，引起树脂脱落，进而破坏纤维与基体间的界面，使得界面性能老化。此外，由于纤维与树脂基体吸湿膨胀不一致，在界面处会出现应力集中现象，会促进裂纹在界面的产生和扩展，导致界面脱黏。热量促进的吸湿进一步造成基体破坏、界面结合弱化、应力集中和缺陷增长。

弯曲性能在试验前期下降，主要是因为此时吸湿对树脂基体的塑化作用占主导地位，导致弯曲强度和弯曲模量暂时下降。随后，弯曲强度和模量提升，说明后固化和热作用对材料的强化作用超过了基体树脂性能退化和界面性能弱化对材料的负面影响。随着湿热时间的延长，在第20周和第15周，弯曲强度和弯曲模量值又分别开始小幅下降，此时湿热老化开始占主导作用。从曲线总体变化趋势来看，经过30个周期的湿热老化后，材料的弯曲强度和弯曲模量未出现明显变化，表明该树脂基复合材料的弯曲性能受湿热老化的影响不明显。

图8给出的是单向铺层试件不同湿热循环周期后弯曲破坏照片。原始状态试件和不同循环湿热周期试验后单向铺层试件的失效形式基本相同，试验件的下部由于弯曲应力最大而使铺层0度方向发生正应力破坏。由于试件上部铺层并未失效，因此，试件并未完全断开。

图8 单向铺层试件典型弯曲破坏图

2.织物铺层试件

图9给出的是织物铺层试件不同湿热循环周期的载荷位移曲线，与单向带铺层试件的规律相同，试件在未破坏之前的载荷位移曲线也表现为线性。当试件发生局部损伤时，曲线表现出载荷的跌落现象，直至试件失去承载能力。从图9看出，原始状态和不同循环湿热周期试验后织物铺层试件的应力应变曲线斜率和最终破坏载荷相差也不大。

图9 织物铺层试件的载荷位移曲线

表3是经过不同湿热试验周期后织物铺层试件每隔5天的弯曲强度和弯曲模量的变化率随湿热周期的变化数据。从表3可以发现，织物铺层试件的模量和强度数值随湿热周期变化不大。图10是织物铺层复合材料试件的弯曲强度随湿热周期的变化规律图。从以上图表可以发现，随着湿热老化时间的增加，试件的弯曲强度先增加后逐步回落接近原始状态，在经过循环湿热20周期后，试件弯曲强度上升约3%，30周期后，材料的弯曲强度值较原始状态高1.536%。图11是织物铺层复合材料试件的弯曲模量随湿热周期的变化规律图。从图11可以看出，随着湿热老化时间的增加，试件的弯曲模量变化并不明显，变化幅度在±2%之内，在经过10个周期后，弯曲模量增加了1.873%，在经过30个周期后，弯曲模量减少了1.664%。

图10 织物铺层弯曲强度变化

表3 不同湿热老化周期后织物铺层试件的弯曲性能

图12给出的是织物铺层试件不同湿热循环周期后弯曲破坏照片。原始状态试件和不同循环湿热周期试验后单向铺层试件的失效形式相同，不同状态试件在弯曲载荷的作用下完全断裂。这与单向铺层试件并不完全相同，主要是由于织物铺层的承载能力与单向铺层不同而造成的。

图12 织物铺层弯曲破坏图

三、结束语

湿热试验后，两种铺层复合材料试件的质量均比试验前高，复合材料试件在湿热试验中由于吸湿导致了其质量增加。吸湿过程中质量的变化分两个阶段，第一阶段材料的吸湿速率较快，质量增加也很快。第二阶段材料的吸湿速率明显变缓，材料的质量增量也越来越小，逐渐趋于平衡。试验前后，用肉眼观察不到两种复合材料表观形貌的变化。

随着循环湿热试验周期的增加，单向铺层试件的弯曲强度和弯曲模量值先降低后增加，在-4%～3%范围内波动，试验30天后弯曲强度最终接近于原始状态下的值，弯曲模量增加约2.62%。这主要是由于初期吸湿塑化对材料性能产生负向作用，而后续后固化作用和热作用加强了材料的抗弯性能，最终吸湿导致树脂的结构破坏、脱落和界面特性的削弱，与后固化协同作用使材料的弯曲性能有所恢复。经过循环湿热试验的织物铺层试件弯曲强度较原始状态均表现为增大，经过30个循环湿热周期后，弯曲强度增加了1.536%，弯曲模量值相对稳定，在±2%的范围内波动，在经过30个周期后，弯曲模量减少了1.664%。