5288炭纤维复合材料自然老化性能研究.pdf

海南地区Ｔ７００／５２８８炭纤维复合材料自然老化性能研究海南地区Ｔ７００／５２８８炭纤维复合材料自然老化性能研究ＳｔｕｄｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＡｇｉｎｇｏｆＴ７００／５２８８ＣＦＲＰｉｎＨａｉｎａｎ张代军，唐邦铭，包建文，刘刚（北京航空材料研究院先进复合材料重点实验室，北京１０００９５）———ＺＨＡＮＧＤａｉｊｕｎ，ＴＡＮＧＢａｎｇｍｉｎｇ，ＢＡＯＪｉａｎｗｅｎ，ＬＩＵＧａｎｇ（ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＣｏｍｏｓｉｔｅｓＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ）摘要：针对南海地域的自然环境，将Ｔ７００／５２８８炭纤维增强环氧树脂复合材料放置于海南省万宁市，经过自然老化３年后，研究其微观形貌、力学性能与热性能等。研究表明，由于热氧老化与光氧老化的存在，复合材料表层环氧树脂出现了化学降解，表面纤维发生裸露，起毛等现象，老化试样纵向压缩强度降低１９，横向压缩强度降低１４，其他表征力学性℃能基本不变，玻璃化转变温度降低了２７。关键词：自然老化；复合材料；环氧树脂；力学性能中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ—文章编号：１００ｌ一４３８１（２０１２）１１００３１一Ｏ３Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔｏｆｎａｔｕｒａｌａｇｉｎｇｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆＴ７００／５２８８ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｉｎｔｈｅＷａｎｎｉｎｇ（ＨａｉｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ）ｕｎｄｅｒｔｈｅＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＳｅａｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．—Ｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｅｒｅｐｌａｃｅｄｉｎｎａｔｕｒａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒｔｈｒｅｅｙｅａｒｓ．Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｍｅｃｈａｎｉ—ｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｅｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｔｈｅｒｍｏ—ｏｘｉｄａｔｉｖｅａｇｉｎｇａｎｄｐｈｏｔｏｏｘｉｄａｔｉｖｅａｇｉｎｇｃａｕｓｅｄｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓｕｒｆａｃｅｅｐｏｘｙｃｈｅｍｉｃａｌｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ，ｓｕｒｆａｃｅｆｉｂｅｒｓｅｘｐｏｓｅｄ，ｔｈｅｓｅｃｉｍｅｎｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ１９，ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ—ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ１４．Ｔｈｅｏｔｈｅｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｒｅｍａｉｎｅｄｂａｓｉｃａｌｌｙｕｎ℃ｃｈａｎｇｅｄ．Ｔｈｅｇｌａｓｓｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙ２７．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｇｉｎｇ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ炭纤维复合材料以其高比强度与比模量、优异的抗疲劳性能、耐腐蚀性能与可设计性强等特点已广泛应用于航空航天等高科技领域［１］。尽管复合材料具有很好的耐腐蚀性能，但聚合物基复合材料在自然环境下使用，受到热、氧、光、微生物、力、化学介质甚至电等环境因素的综合作用，这些环境因子通过不同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，出现发硬、变黏、变脆、变色和失去光泽等特性，这些变化和现象称为自然环境老化Ｌ２］。为验证复合材料的耐久性，复合材料的耐老化性能引起了学术界的关注，近几十年来，科研工作者做了大量的研究工作，特别是复合材料人工加速老化的研究，主要包括湿热老化＿３］、化学侵蚀老化、紫外线加速老化等，相对而言，自然老化的研究进行的较少。针对南海地域的自然环境，将航空工业中大量应用的Ｔ７００／５２８８炭纤维增强环氧树脂复合材料放置于位于海南省万宁市兵器工业自然环境试验中心，经过自然老化３年后，研究其力学性能与热性能，以此了解热带海洋性气候对复合材料性能的影响。ｌ实验１．１实验材料（１）单向炭纤维增强环氧树脂Ｔ７００／５２８８复合材料层合板，厚度１．８５～１．８８ｍｍ，由北京航空材料研究院提供。（２）准各向同性铺层１－４５／ｏ／一４５／９０］的炭纤维增强环氧树脂Ｔ７００／５２８８复合材料层合板，厚度为１．８５～１．８８ｍｍ，由北京航空材料研究院提供。１．２实验方法（１）暴晒场地暴晒场地为海南省万宁市。５６材料工程／２０１２年１１期Ｅ２］Ｉ－３］位论文，１９９９．张凤英．油溶性稠油降黏剂的研制与评价ＥＤ］．学硕士学位论文，２００６．罗塘湖．含蜡原油流变特性及其管道输送［Ｍ］版社，１９９１．南充：西南石油大北京：北京石油出Ｅ４］陈秋芬，王大喜，刘然冰．油溶性稠油降黏剂研究进展［刀．石油钻—采工艺，２００４，２６（２）：４５４９．［５］潘祖仁．高分子化学ＥＭ］．北京：化学工业出版社，２００７．［６］ＣＡＳＴＲＯＬＶ，ＶＡＺＱＵＥＺＦ．Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓａｓｆｌｏｗｉｍｐｒｏｖｅｒｓｆｏｒ—Ｍｅｘｉｃａｎｃｒｕｄｅｏｉｌｓ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｆｕｅｌｓ，２００８，２２：４００６４０１ｉ．［７］ＤＥＳＨＭＵＫＨＳ，ＢＨＡＲＡＭＢＥＤＰ．Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆｏｌｙｍｅｒｉｃｏｕｒ—ｐｏｉｎｔｄｅｐｒｅｓｓａｎｔｓｆｏｒＮａｄａｃｒｕｄｅｏｉｌ（Ｇｕｊａｒａｔ，Ｉｎｄｉａ）ａｎｄｉｔｓｉｍｐａｃｔｏｎｏｉｌｒｈｅｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＦｕｅｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，８９—（３）：２２７２３３．［８］ＣＲＩＳＴＩＡＮＥｘ，ＤＥＬＬＹＯＲＳ，ＥＬＩＺＡＢＥＴＥＦ．Ｎｅｗａｄｄｉｔｉｖｅｓｆｏｒｔｈｅｏｕｒｏｉｎｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｐｅｔｒｏｌｅｕｍｍｉｄｄｌｅｄｉｓｔｉｌｌａｔｅｓ［Ｊ］．—Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｆｕｅｌｓ，２００４，１８（３）：５９９６０４．［９］ＧＬＯＺＭＡＮＥＰ，ＡＫＨＭＥＴＯＶＡＲＳ．Ｐｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆａｓｐｈａｌｔｅｎｅｓａｎｄａｓｐｈａｌｔｓｆｒｏｍｖａｒｉｏｕｓｓｏｕｒｃｅｓ［－Ｊ］．ＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ—ｏｆＦｕｅｌｓａｎｄＯｉｌｓ，１９７５，ｌ１（２）：１０７１０９．［１０］ＳＨＡＤＩＷＨ，ＭＡＭＤＯＵＨＴＧ，ＮＡＢＩＬＥ．Ｈｅａｖｙｃｒｕｄｅｏｉｌｖｉｃｏｓｉｔｙｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｒｈｅｏｌｏｇｙｆｏｒｐｉｅｌｉｎｅｔｒａｎｓｏｒｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．—Ｆｕｅｌ，２０１０，８９：１０９５１１００．［１Ｉ］ＲＡＦＡＥＬＭＰ，ＭＡＲＩＡＬＭ，ＢＥＡＴＲＩＺＺＲ，ｅｔａ１．Ｔｒａｎｓｐｏｒ～—ｒａｔｉｏｎｏｆｈｅａｖｙａｎｄｅｘｔｒａｈｅａｖｙｃｒｕｄｅ０Ｉ１ｂｙｐｉｐｅｌｉｎｅ：Ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，７５：—２７４２８２．Ⅱ［１２］王子军．石油沥青质的化学和物理：沥青质的化学组成和结构—［Ｊ］．石油沥青，１９９６，１０（１）：２６３６．［１３］朱莹，李俊台，马敬环，等．高含蜡原油的双聚合物降凝剂的研制—［Ｊ］．油田化学，２００２，１９（４）：３１９３２１．—［１４］ＹｕＰ，ＬＩＣＹ，ＺＨＡＮＧＣＱ，ｅｔａ１．Ｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｓｈｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｉｏｎｏｍｅｒａｎｄｈｙｄｒｏｇｅｎｂｏｎｄｓｙｓｔｅｍｓｂａｓｅｄｏｎｌａｕｒｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ［Ｊ］．ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｃｉｅｎｃｅ，２０１１，８（３）：３５７—３６４．［１５］韩涛，王晓云，于萍，等．甲基丙烯酸十八酯基油溶性聚合物反应过程的在线红外研究［Ｊ］．山东大学学报：工学版，２０１１，４１（２）：—］４４１４８．项目资助：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）（２００８ＣＢ６１７５０８）——收稿日期：２０１２－０１２７；修订日期：２０１２－０８２０作者简介：吕小博（１９８４一），男，硕士，主要从事具有降黏功能的油品减阻剂研究，联系地址：山东省济南市经十路７３号，山东大学千佛山校区—化学与化工学院１号教学楼３２８室（２５００６１），Ｅｍａｉｌ：Ｉｖｘｉａｏｂｏ９２８＠１２６．ｅｏｍ通讯作者：张长桥（１９５７一），男，教授，博导，主要从事化学反应工程的教学与科研工作，联系地址：山东省济南市经十路７３号，山东大学千佛—山校区化学与化工学院１号教学楼３２８室（２５００６１），Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｃｈｑｉａｏ＠ｓｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米柴米米米米米米（上接第３３页）—［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１１．７８．基体在太阳光紫外线作用下，发生了共价键破坏的现象，使聚合物内的惰性官能团生成了活性自由基，从而引发材料的光降解过程；紫外线还通过引发和促进氧对树脂的作用，引发复合材料的热氧老化过程。由于光降解与热氧老化的存在，使树脂的化学链发生断裂，交联密度降低，从而造成丁下降。３结论（１）通过试样的微观形貌分析，试样表面出现了裸露纤维，表层树脂含量低。（２）老化试样的纵向压缩强度与横向压缩强度降低，其他表征力学性能基本不变。（３）老化试样玻璃化转变温度降低。（４）试样在海南地区放置３年后，树脂基体出现了老化现象，表层树脂甚至出现了化学降解，并因此造成了力学性能与热性能的下降。［１］［２］参考文献陈祥宝．先进树脂基复合材料的发展［Ｊ］．航空材料学报，２０００，—２０（１）：４６５４．李晓刚，高瑾，张三平，等．高分子材料自然环境老化规律与机理Ｅ３］吕小军，张琦，马兆庆，等．湿热老化对炭纤维／环氧树脂基复合材—料力学性能影响研究［Ｊ］．材料工程，２００５，（１１）：５０５３．［４］过梅丽，肇研，许风和，等．先进聚合物基复合材料的老化研究Ｉ：热氧老化［Ｊ］．航空学报，２０００，２１（增刊）：６２６５．—［５］ｃＡＮＤＩＤＯＧＭ，Ｃ０ＳＴＡＭＩ，ＲＥＺＥＮＤＥＭＣ，ｅｔａ１．Ｈｙｇｒｏ—ｔｈｅｒｍａｌｅｆｆｅｃｔｓｏｎｑｕａｓｉｉｓｏｔｒｏｐｉｃｃａｒｂｏｎｅｐｏｘｙｌａｍｉｎａｔｅｓｗｉｔｈｍａｃｈｉｎｅｄａｎｄｍｏｌｄｅｄｅｄｇｅｓ［Ｊ￣．ＣｏｍｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＢ：Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，—２００８，３９（３）：４９０４９６．［６］吕新颖，江龙，闫亮．碳纤维复合材料湿热性能研究进展［Ｊ］．玻璃—钢／复合材料，２００９，（３）：７６８０．［７］黄力刚，杨志忠，阎宏，等．复合材料耐碱性能的研究［Ｊ］．纤维复—合材料，２００８，（１）：４５４８．［８］詹茂盛，刘德顺．玻纤增强环氧树脂复合材料的酸雨循环老化性—能与机理［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００７，（３）：２８３２．［９］ＳＨＯＫＲＩＥＨＭＭ，ＢＡＹＡＴＡ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｒａｄｉａｔｉｏｎｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆｇ１ａｓｓ／ｏｌｙｅｓｔｅｒｃｏｍｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ—ｏｆＣｏｍｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００７，４１（２０）：２４４３２４５５．［１Ｏ］郭明映，李海斌，张晖，等．紫外老化对芳纶／环氧复合材料性能—和结构的影响［Ｊ］．纤维复合材料，２００８，（１）：３５３８．基金项目：国家９７３计划（２０１０ＣＢ６３１１０１）———收稿日期：２０１１－ｌ１１７；修订日期：２０１２０７２５作者简介：张代军（１９８５一），男，硕士，研究方向为先进树脂基复合材料，联系地址：北京市８１信箱３分箱（１０００９５），Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ．ｄａｉｊｕｎ＠ｌｉｖｅ．ｃｎ