湿热老化对纤维增强树脂基复合材料性能的影响及其机理的分析论文.docx

湿热老化对纤维增强树脂基复合材料性能的影响及其机理的分析论文纤维增强树脂基复合材料由于具有密度低、比强度与比刚度高、结构可设计性以及优良的耐腐蚀性能等优点，广泛应用于建筑、车辆、体育器材兵器、航空、航天和舰船等领域。纤维增强树脂基复合材料及其构件在贮存和使用过程中受热、湿、酸、碱、光、氧等环境因素的影响会发生老化，致使材料的物理性能和力学性能明显降低，严重影响到材料和构件的使用寿命，威胁到设备的安全使用，因此，纤维增强树脂基复合材料的研发和使用者越来越重视其老化性能的研究。在众多环境因素中，纤维增强树脂基复合材料对湿热环境格外敏感，在长期湿热因素作用下，材料的力学性能和耐热性能降低，甚至失效，影响其使用寿命。纤维增强树脂基复合材料(以下简称复合材料)的湿热老化是其经受湿度、温度和应力联合作用而产生的性能退化过程。湿热环境对复合材料性能的影响主要是通过树脂基体吸湿溶胀、增塑、水解，空穴与微裂纹等缺陷中的水积聚以及树脂/纤维粘接界而的破坏而引起性能的改变。复合材料湿热老化行为的研究主要通过人工加速湿热老化方法来开展，在不改变材料老化机理的前提下，用湿热试验设备模拟产品在储存、运输和使用过程中可能遇到的湿热环境条件，以考核产品对湿热环境适应性，包括湿热老化箱内湿热试验和恒温水浸试验。目前世界各国对此方而的研究多侧重于复合材料吸湿特性和湿热环境对复合材料力学性能和耐热性能的影响及机理，为了给相关研究人员提供参考，作者对此进行了综述。1.纤维增强树脂基复合材料吸湿行为及机理固体材料与液体相接触时，液体分子会向固体材料内部扩散，并以物理或化学的方式存在于固体中，宏观表现为固体材料质量增加，即吸湿。纤维增强树脂基复合材料的吸湿是一个缓慢的湿度弥散过程，其吸湿程度常用吸湿率来表示，即吸湿后试样质量增加的百分数。纤维增强树脂基复合材料的吸湿过程主要涉及三个方而:水分子在树脂基体中的渗透、扩散;水在孔隙、微裂纹和界而脱粘等缺陷中的聚集;水分子沿纤维/基体界而的毛细作用，经过长时间研究，作者认为现阶段能够比较好地描述复合材料吸湿行为的理论是两段论。多项研究结果表明，纤维增强树脂基复合材料第一阶段的吸湿符合费克定律，吸湿率随时间延长而快速增大，材料中的水含量与吸湿时间的平方根成线性关系。第一阶段内的吸湿主要是由于复合材料的缺陷(裂纹、微空隙)和树脂吸水造成的，在温度和湿度的共同作用下，水分子较快地通过材料的自由体积空间以及空隙、裂纹等缺陷进入材料的内部，此阶段内的吸湿主要是物理吸附，为可逆变化。第二阶段内的吸湿速度明显降低，吸湿机理复杂，除第一阶段的吸湿形式外，还包括了树脂基体裂纹扩展吸湿、树脂/纤维界而脱粘吸湿及树脂水解吸湿等对复合材料造成不可逆破坏的吸湿形式，费克定律己不再适合评价此阶段纤维增强树脂基复合材料的吸湿行为。经过长期吸湿，复合材料内的水分会达到平衡状态，此时的吸湿率称为平衡吸湿率。平衡吸湿率的大小受环境相对湿度、不同材料体系和试样厚度等因素的影响。树脂基体含有的极性亲水基团越多，其平衡吸湿率越高;材料内部缺陷少则平衡吸湿率低;所采用的增强纤维不同，其平衡吸湿率也不同，芳纶纤维和纤维因为分子主链含有酞胺基、醚键和胺基等亲水基团，相对碳纤维和玻璃纤维而言，其平衡吸湿率偏高。纤维含量(体积分数)对复合材料平衡吸湿率有显著影响，纤维含量越高，材料的平衡吸湿率越低;纤维的铺层方向对平衡吸湿率也有影响，低铺层角的复合材料比搭铺层角的平衡吸湿率要大。温度对吸湿速率的影响较大，环境温度高时的吸湿速率比环境温度低时的要大。气温度越高，水蒸气压力越大，水向复合材料内部的扩散能力也越强，同时高温下高分子链的热运动加剧，分子间的作用力减弱，自由体积增大，有利于水的进入有研究结果显示，在循环湿热环境下，经反复吸湿-脱湿后，水的初始扩散速率增大。原因是:长时间的湿热老化使得复合材料的树脂基体、纤维与树脂的界而产生如微孔和裂纹等缺陷，这种破坏是不可逆的，不会因为脱湿而发生恢复，对材料性能的影响是永久的，因此再次吸湿时，这些不可逆缺陷在材料中成为水分扩散的通道，使得水分扩散得更快，扩散系数增大。2.湿热老化对复合材料耐热性能的影响纤维增强树脂基复合材料的耐热性能通常用其玻璃化转变温度来表征，其值可以通过动态热机械分析试验(DMA)测定，通过材料在等速升温过程中的弯曲振动，测定其模量、损耗因子随温度的变化曲线，曲线上损耗最大值对应的温度即为Tg。在湿热老化过程中，树脂基体中的某些分子运动单元受到抑制或者激活，这些变化可反映到Tg的变化上。Tg主要受树脂基体的影响，研究结果显示多数树脂基复合材料的Tg随湿热时间的延长而降低，初期下降较快，随着复合材料的吸湿量趋于饱和，Tg也趋于恒定值.黄丽等的研究结果显示，氰酸酷改性环氧树脂基复合材料的Tg随湿热老化时间的延长，呈先上升