濕熱環(huán)境對蜂窩夾層復合材料性能的影響

胡建平,蔡吉喆,肇 研,劉建華

(北京航空航天大學材料科學與工程學院,北京100191)

濕熱環(huán)境對蜂窩夾層復合材料性能的影響

胡建平,蔡吉喆,肇 研,劉建華

(北京航空航天大學材料科學與工程學院,北京100191)

對不同類型的Nomex蜂窩夾層復合材料進行濕熱處理,分別測定不同材料的吸濕曲線與材料處理前后的力學性能與介電性能。實驗結果表明:不同材料具有不同的吸濕特性。濕熱環(huán)境會對夾層復合材料試樣的面板強度、芯材剪切與壓縮強度造成不同程度的負面影響,通過比較,在力學性能方面,兩種面板材料的耐濕熱性能相似,而環(huán)氧/NH21272材料的芯材具有更好的耐濕熱性能。同時,濕熱環(huán)境會對不同材料的介電性能產生不同的影響,其中,環(huán)氧/NH21248材料因其具有的最低的芯材密度,而具有最好的介電性能耐濕熱性。

蜂窩夾層復合材料;濕熱;介電性能;力學性能

隨著科技的發(fā)展,復合材料及復合結構在各種應用中日益發(fā)揮著無可替代的作用。在這些結構中,夾層結構復合材料以其具備的一系列傳統材料所不具備的優(yōu)點而備受航空、航天界的青睞。夾層結構復合材料具有密度小、導熱系數低、比強度和比剛度高等特點。因此在航空工業(yè)中,夾層結構復合材料已成功應用于飛機的結構件,如機翼、機身、尾翼和雷達罩等部位。

復合材料在不同的環(huán)境下使用時,性能會受到環(huán)境很大的影響,相關研究[1-3]表明,不同類型的環(huán)境會對復合材料制件產生不同的影響,過梅麗、肇研等[3]研究表明,復合材料的老化機理主要是吸入水分對基體的塑化/溶脹作用以及因樹脂與纖維濕膨脹的不匹配所產生的內應力引起的微觀開裂。不同的研究者分別對不同夾層結構復合材料的不同性能以及耐濕熱性能進行了研究[4,5]。D.Cise等[6],對蜂窩夾層復合材料的結構進行了分析,發(fā)現在濕熱環(huán)境下,夾層復合材料吸濕確實發(fā)生,而且吸濕程度和其與濕熱環(huán)境相接觸的方向有很大的關系。郝巍等[7]在研究中、高密度Nomex蜂窩時發(fā)現,Nomex蜂窩在濕熱環(huán)境中極易吸濕。J.E.Shafizadeh等[8]研究表明夾層復合材料受濕熱影響造成的修補費用已經占飛機整個服役周期維護費用中很可觀的一部分。除此之外,對于應用于透波結構的夾層復合材料,其介電常數與介電損耗角正切是決定其能否正常工作的關鍵性能[9,10],因此,對夾層結構復合材料力學及介電性能的耐濕熱性能的研究具有很強的實際意義。

本研究對不同類型的Nomex蜂窩夾層復合材料進行了濕熱處理,首先測定不同夾層材料、面板以及芯材的飽和吸濕曲線。對濕熱處理前后的復合材料試樣進行了力學性能的測試,包括長梁彎曲,短梁彎曲以及壓縮實驗。研究了不同材料體系以及相同材料,不同芯材密度對夾層結構復合材料力學性能耐濕熱性的影響規(guī)律。最后,研究了濕熱環(huán)境對不同夾層復合材料介電性能的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗中所采用的材料為三種不同類型的Nomex蜂窩夾層復合材料,其中,1號試樣采用CCN21蜂窩、BC217膠膜,芯材密度為80g/m3,2,3號試樣所使用的材料體系相同,均采用NH21蜂窩、EW 220/321821面板和SY224B膠膜,主要區(qū)別是二者的芯材密度不同,其中2號試樣的芯材密度為72g/m3,3號試樣的芯材密度為48g/m3。

1.2 實驗內容

1.2.1 濕熱實驗

實驗中采用確定溫度,濕度環(huán)境對夾層復合材料進行濕熱處理,根據ASTM D5229/5229M的具體標準,設定實驗溫度為70℃,濕度為85%相對濕度,分別測定不同材料的吸濕曲線。實驗結果取5個試樣的平均值。測試采用的夾層材料的尺寸為10cm×10cm,使用鋁箔對夾層材料試樣進行封邊,經過前期實驗證實,在測試周期內,封邊鋁箔不會因破裂而影響實驗結果。1.2.2 力學性能測試

對原始干態(tài)及經過192h的濕熱處理的夾層材料試樣進行長梁彎曲、短梁彎曲及壓縮實驗測試。具體的實驗參數參照標準:ASTM 7249/D 7249M 206、ASTM C393/C 393M 206以及ASTM C365/C365M 2 05。長梁彎曲實驗主要測試的是夾層材料的面板強度,短梁彎曲實驗測試夾層材料芯材的剪切強度,壓縮實驗測試芯材的壓縮強度。實驗結果取5個試樣的平均值,并計算標準差。

1.2.3 介電性能測試

采用北京航空材料研究院的8722ES型矢量網絡分析儀對經過及未經濕熱處理的夾層材料的介電常數和介電損耗角正切進行了測試。

2 實驗結果及討論

2.1 濕熱環(huán)境下材料的吸濕特性

實驗中,對不同材料進行70℃,85%相對濕度環(huán)境的濕熱處理,經過前期對吸濕曲線的測定,濕熱處理192h后不同試樣均已達到穩(wěn)定的飽和吸濕狀態(tài),因此,對不同試樣均進行了192h的濕熱處理,由于面板及芯材較夾層材料會更快的達到吸濕飽和,因此,對其進行了144h的濕熱處理,并測定吸濕曲線。圖1為1號夾層材料濕熱處理后的吸濕增重率2時間曲線。

圖1 1號試樣吸濕增重率2時間曲線Fig.1 Themass increasing rate with the conditioning time of sample 1

由圖1可見,隨著濕熱處理時間的延長,夾層材料的面板,芯材與整體的吸濕率均不斷增加。其中,芯材的吸濕過程可大致分為兩個階段。第一階段應為,在濕熱環(huán)境下,水汽透過面板而存在于材料內部空隙中,一段時間后達到飽和,隨著濕熱時間的增加,材料內部的水汽可能與材料本身發(fā)生了進一步的反應,導致材料的吸濕量繼續(xù)增加。由于Nomex蜂窩中含有的酰胺基具有很強的極性,使其極易吸水,在最初的12h里,蜂窩芯材的增重非常明顯,即很快的吸收了大量的水汽,這部分約占整個吸濕量的約80%。與芯材相比,面板在144h的濕熱處理過程中僅出現一個增重階段,飽和吸濕率約為7.5%,同時也需要更多的時間(約60h)達到飽和吸濕狀態(tài),這是由于夾層材料面板為環(huán)氧樹脂基體復合材料,其在濕熱過程中,材料本身受水汽的影響較小。由此可見,在蜂窩夾層復合材料中,面板起到的是阻止水汽進入夾層內部與芯材相接觸的作用,而一旦水汽進入材料內部,芯材是很容易吸收水汽的。

在濕熱處理的初始階段,面板的吸濕增重率大于夾層材料,這是由于整個夾層材料此時主要由是面板部分在吸濕增重,而芯材并未受到很大的影響,此時,夾層材料的飽和吸濕率為面板的吸濕增重量除以夾層材料的整體重量,因此,面板的吸濕率大于夾層材料。隨著濕熱時間的延長,芯材開始吸濕,而此時面板吸濕趨于飽和,速率下降,夾層材料的吸濕增重為面板與芯材共同的吸濕增重量,因此,此時夾層材料的吸濕率有一定的上升,超過了面板的吸濕率。由圖1可見,在大約132h后,1號夾層材料達到吸濕飽和,這表明整個材料的飽和吸濕過程并不是面板與芯材吸濕過程的簡單加合,同時,相關文獻[5]指出,Nomex蜂窩的吸濕量與其所處環(huán)境的相對濕度有很大關系的,而在蜂窩夾層材料中,由于蜂窩芯材一直處于面板的保護中,因此,其所處的環(huán)境與實驗設定濕熱環(huán)境,即85%RH并不完全一致。因此,面板對整個蜂窩夾層結構復合材料的耐濕熱性起到很大的作用。

圖2為2號材料的吸濕增重率2時間曲線,其采用的濕熱條件與1號材料相同,但材料體系不同。

圖2 2號試樣吸濕增重率2時間曲線Fig.2 Themass increasing rate with the conditioning time of sample 2

由圖2可見,2號材料的吸濕增重率2時間曲線與1號具有相似的趨勢,其芯材的吸濕速率與飽和吸濕量也均大于面板。2號夾層材料的芯材在大約48h后達到飽和吸濕狀態(tài),其飽和吸濕率約為16.5%,面板在大約60h后達到吸濕平衡,飽和吸濕率為7.6%。與1號材料相比,2號材料的芯材飽和吸濕率較大,而面板的飽和吸濕率相似。對于2號材料,與1號相似,當濕熱處理進行到一定程度時,夾層材料的吸濕率開始超過面板材料,表明此時材料內部環(huán)境已經能夠使芯材產生一定程度上的吸濕了,即對于夾層材料來說,芯材吸濕所占的比重已經超過了面板。2號夾層材料的飽和吸濕率約為10.4%,略高于1號材料的9.8%,這主要來源于2號材料更高的芯材吸濕率。

圖3為3號材料的吸濕增重率2時間曲線,其所采用的濕熱條件與1,2號材料相同,其芯材密度為48g/ m3,小于2號的72g/m3,面板與2號材料相同。

由圖3可見,3號材料的芯材飽和吸濕率約為812%,低于2號材料的飽和吸濕率,這是由于3號材料具有更低的芯材密度,這使其在相同的濕熱環(huán)境下的吸濕量更低。與1,2號材料相似,3號材料也是在濕熱處理一段時間后,夾層材料的吸濕率超過面板的吸濕率,這表明3號材料的面板也只是在有限的時間內能夠對其芯材起到一定的保護作用。

圖3 3號試樣吸濕增重率2時間曲線Fig.3 The mass increasing rate w ith the conditioning time of samp le 3

因此,由不同材料的吸濕增重率2時間曲線可見,在夾層材料中,面板會對芯材起到一定的保護作用,是使得材料內部的濕度低于外部設定濕度,但是隨著濕熱時間的延長,材料內部濕度不斷增加,面板逐漸失去對芯材的保護作用,芯材開始吸濕,由于不同的芯材的吸濕速率不同,相同的面板材料對不同芯材的保護效果不同。

2.2 濕熱環(huán)境對材料力學性能的影響

圖4為不同試樣未經與經過192h濕熱處理后測得的長梁彎曲實驗結果。

圖4 不同夾層復合材料試樣未經濕熱與濕熱處理后的長梁彎曲實驗結果Fig.4 The facing stress of different sandw ich composite samp les of dry and wet conditions

由圖4可見,濕熱環(huán)境對不同材料的面板強度均會產生較明顯的負面影響。經過濕熱處理后,1號材料的面板強度由130.99M Pa下降為79.36M Pa,強度保持率約為60.59%。而2號材料的面板強度由99153M Pa下降到了64.55M Pa,強度保持率約為64185%。由實驗結果可見,濕熱環(huán)境會對夾層材料的面板強度產生很大的負面影響。而僅從面板強度保持率上來比較,2號材料的耐濕熱性略高于1號材料。

圖5為經過濕熱及未經濕熱處理的不同夾層復合材料試樣的短梁彎曲實驗結果,即芯材剪切強度結果。

圖5 不同夾層復合材料試樣未經濕熱與濕熱處理后的短梁彎曲實驗結果Fig.5 The co re shear stress of different sandw ich composite samp les of dry and w et conditions

由圖5可見,濕熱處理后,1號材料的芯材剪切強度由3.23M Pa降低到了2.06M Pa,其強度保持率約為63.71%。與1號材料相比,2號材料的強度保持率有一定的提高,為78.92%。由于1號與2號材料的飽和吸濕率相差不大,因此,這表明濕熱環(huán)境對2號材料芯材剪切強度的負面影響要小于1號材料。由于2號材料的芯材密度大于3號材料,因此,2號材料的干態(tài)芯材剪切強度為2.61M Pa大于3號材料的2102M Pa。由吸濕增重實驗結果可見,3號材料的飽和吸濕率低于2號材料,而在芯材剪切強度方面,3號材料的強度保持率約為66.33%,低于2號材料78192%,這表明濕熱環(huán)境對較低芯材密度的夾層復合材料的芯材剪切強度有更大的負面影響。

圖6為濕熱及未經濕熱處理,不同夾層復合材料試樣的壓縮實驗結果,即芯材壓縮強度結果。

圖6 不同夾層復合材料試樣未經濕熱與濕熱處理后的壓縮實驗結果Fig.6 The core comp ressive stressof different sandwich composite samp les of dry and w et conditions

由圖6可見,濕熱環(huán)境對不同材料的芯材壓縮強度的影響表現出與對芯材剪切強度相似的趨勢,即與1號材料相比,2,3號具有更好的濕熱處理后的強度保持率。特別的,盡管3號材料的芯材密度低于1號材料,但是其強度保持率80171%遠高于1號的60129%,這說明,較高的飽和吸濕率并不代表材料受濕熱環(huán)境的影響更加嚴重。在本研究中,盡管1號材料的飽和吸濕率略低于2號材料,但從芯材力學性能(剪切,壓縮)的保持率上,2號材料的耐濕熱性能更好,即對于2號材料,更多的水汽集中于材料內部空隙中,而不是與芯材發(fā)生反應,影響其力學性能,因此,其濕熱處理后的芯材力學性能保持率更高。

2.3 濕熱環(huán)境對介電性能的影響

圖7為對未經與經過濕熱處理的1號材料試樣進行介電性能測試的實驗結果。

圖7 1號材料試樣未經濕熱與濕熱處理后的介電常數與介電損耗角正切Fig.7 The dielectric constant and loss tangent of samp le 1 of d ry and wet conditions

由于水的εr約為81,tanδ約為0.55,均大于夾層復合材料中所使用的材料,如環(huán)氧樹脂,玻纖及No2 mex蜂窩,因此濕熱處理后,夾層復合材料中存在的水汽會對其的介電性能產生明顯的影響。如圖7所示,經過濕熱處理后,1號材料的εr較干態(tài)材料并未產生較大的變化,但是,其tanδ卻在整個測試頻段范圍內,產生很大程度上的增加,并且在整個頻率范圍內變化的較為均勻。其中,在12000M Hz頻率下,1號材料的介電損耗角正切由干態(tài)的0.0104增加到了濕態(tài)的010343,這對用于透波結構的夾層復合材料來說是非常不利的,因為這會嚴重地影響其的電磁波透過能力。

圖8為對2號材料未經與經過濕熱處理的試樣進行介電性能測試的實驗結果。

圖8 2號材料試樣未經濕熱與濕熱處理后的介電常數與介電損耗角正切Fig.8 The dielectric constant and loss tangent of sample 2 of dry and wet conditions

由圖8可見,濕熱環(huán)境對2號材料的介電性能同樣產生了一定的負面影響。2號材料的εr經過濕熱處理后有一定程度上的增加,在12000M Hz頻率上,εr由1.75增加到了1.93。材料的tanδ也產生了一定的變化,但是變化趨勢卻與1號材料不同,其在較低與較高頻率下產生了較大的增幅,但是在10000～12000M Hz范圍內,卻與材料干態(tài)的tanδ相差不大,甚至有一定程度上的降低,造成此變化的具體原因并不明確,還需進行進一步的研究。

圖9為對3號材料未經與經過濕熱處理的試樣進行介電性能測試的實驗結果。

圖9 材料3#試樣未經濕熱與濕熱處理后的介電常數與損耗角正切Fig.9 The dielectric constant and loss tangent of samp le 3 of d ry and w et conditions

由于3號材料與2號材料的面板完全相同,因此,二者介電性能產生的差異主要來源于芯材密度的不同,如圖9所見,與2號相比,3號材料具有較小的tanδ和εr,這主要是由于3號材料的芯材密度低于2號材料,因此樹脂含量更低,對電磁波的透過影響更小。3號材料的介電性能受濕熱環(huán)境影響的變化趨勢與2號并不相同,它的εr在濕熱處理前后并無明顯變化,而tanδ在經過濕熱處理后,在整個頻段均有一定的增加,但是變化程度要小于2號,這主要是由于3號材料的芯材密度較低,濕熱處理后存在于材料內的水汽,無論是存在于材料內部空隙中的,還是與蜂窩芯材發(fā)生反應的數量均比較少,因此濕熱環(huán)境對其介電性能的影響更小。

3 結論

(1)在濕熱環(huán)境下,不同材料的吸濕特性不同,1號材料具有較小的飽和吸濕量;在整個蜂窩夾層復合材料中,面板起到的是保護芯材,防止其與濕熱環(huán)境直接接觸的作用。

(2)濕熱環(huán)境對蜂窩夾層復合材料的力學性能會產生較大的負面影響,經過對不同材料體系的對比,兩種面板材料的耐濕熱性能相似。2號材料芯材的耐濕熱性要好于1號材料,同時,相同材料體系,具有較低密度的芯材濕熱處理后的強度保持率較低,即更容易受到濕熱環(huán)境影響。

(3)蜂窩夾層復合材料的介電性能會受到濕熱環(huán)境一定的負面影響,不同材料體系所受的影響不同,2號材料較1號具有更好的耐濕熱性,而較低的芯材密度會使材料的介電性能受濕熱環(huán)境的影響更小。

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Effects of Hygrothermal Environment on Properties of Nomex Sandw ich Composite

HU Jian2ping,CA IJi2zhe,ZHAO Yan,L IU Jian2hua
(School of M aterials Science and Engineering, Beihang University,Beijing 100191,China)

After conditioning in the hygrothermal environment,themoisture absorbing p lotwas recor2 ded and mechanical and dielectric p roperties of different kinds of Nomex sandw ich structure compos2 ites w ere investigated in the dry and w et conditions.The results show that different samp les had dis2 tinct moisture absorbing performance in the hygrothermal environment.And the hygrothermal cir2 cum stance w ill bring negative effectson themechanical p ropertiesof the sandw ich structure facing and core.After comparing among thesematerials,two kinds of facings have the similar moisture absorb2 ing p roperties,and the epoxy/N H21272 composite has the relatively better conditioning resistance per2 formances in the mechanical aspect.In addition,the hygrothermal environment w ill also decrease the dielectric p roperties of the sandw ich structure,and the epoxy/NH21248 samp le has the best dielectric p roperties conditioning resistance for its lowest core density.

nomex sandw ich composite;hygrothermal;mechanical p roperty;dielectric p roperty

TB 332

A

100124381(2010)1120043205

2010204225;

2010209220

胡建平(1971—),男,博士研究生,從事專業(yè):航空裝備管理,聯系地址:北京市復興路14號科訂部(100843),E2mail:hoojianping@ 126.com