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

时间:2018-09-28 材料毕业论文 我要投稿

  引言

  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