層合板濕熱環境的力學性能研究

摘要： 以某型號復合材料層壓結構為研究對象，對其在各種溫度和濕度組合條件下的復合材料使用性能進行試驗和評估，證明其在該條件下彎曲強度、模量和層間剪切強度的性能保持率較高。

關鍵詞： 復合材料 層合板 濕熱性能

隨著科技發展，纖維增強樹脂基復合材料因其良好的力學性能已被廣泛應用于航空，航天，船舶，交通等領域。復合材料具有較強的吸水能力，其使用性能受濕熱環境的影響特別顯著，因此，工程實際中必須對各種溫度和濕度組合條件下的復合材料使用性能進行試驗和評估。

1.試驗的準備及試驗過程

復合材料的吸濕是一個緩慢的濕度彌散過程，其含濕量為結構重量中所含水分重量的百分比，故亦叫吸水率。吸水率的大小受環境溫度、相對濕度、不同材料體系、層壓板厚度和基體的含濕量等的影響。經過長期吸濕，復合材料內的水分達到平衡狀態，稱為飽和吸水率[1]。飽和吸水率主要取決于環境相對濕度和不同的材料體系。

1.1. 試樣結構

本研究中，試樣采用環氧樹脂單向碳纖維復合材料，基體是一種新型的中溫改性環氧樹脂，增強材料是日本東麗公司生產的15000碳纖維，選取三種不同的成形方式：真空法成形，模壓法成形和熱壓罐成形。

1.2. 濕熱試驗

將所有試件和跟隨件烘干使之達到工程干態。將工程干態試樣置于濕熱環境箱中，在溫度為71 1℃、相對濕度為95 5%RH的環境下吸濕。用分析天平稱跟隨件質量。稱重時，需先將跟隨件從環境箱中取出，冷卻到室溫后，用干布搽拭表面，然后放入天平稱重。當跟隨件的工程吸濕量達到所要求的百分數時，將試件達到所要求的吸濕量以后，就進行試驗。

2 試驗結果與討論

2.1. 濕熱對復合材料吸濕率的影響

在使用條件下，濕擴散是在整個壽命期內進行的，因此，研究吸濕對復合材料性能的影響是十分必要的。溫度和濕度對復合材料基體的影響比纖維大的多，一般情況下可忽略對纖維的影響。環氧復合材料基體具有較好的耐濕熱性能，吸濕率較低，其碳纖維復合材料的耐濕熱性能有明顯的改善。

試驗表明，經濕熱環境768小時后，模壓法成形復合材料的飽和吸濕率約為1.915%，而熱壓法成形的飽和吸濕率約為2.096%， 真空袋法成形復合材料的飽和吸濕率約為2.414%。可見，模壓法成形復合材料的耐濕熱性能優于熱壓法成形和真空袋法成形復合材料。也就是說，如果水分沿纖維界面浸入，則真空袋法成形復合材料更容易受到水分的浸入和濕熱的破壞，這可能是由于復合材料板材中孔隙率等因素的影響，因為，孔隙也是影響復合材料吸濕的一個主要原因，其真正的原因有待于我們進一步的研究和分析。

2.2 .濕熱對復合材料力學性能的影響

三種不同成形方式的復合材料經濕熱處理達到飽和吸濕率后，對其進行力學性能測試，研究其性能的變化，由于試件和試驗設備的限制，只進行了濕熱處理后彎曲和層間剪切性能的測試。

圖1 不同成形方法復合材料的性能保持率

由圖1可知，三種成形方法的強度保持率都比較高，并且熱壓法的復合材料在71℃狀態下的彎曲強度、模量和層剪強度的保持率明顯高于模壓法和真空袋法。這說明它是一種耐濕熱性能較好的高模量中溫改性樹脂基復合材料。

3.小結

3.1.經濕熱環境箱768小時后，對于模壓法成形的復合材料的吸濕率較小，而且較快的趨于吸濕平衡。碳纖維吸濕能力很小，樹脂基體有較強的吸濕能力。吸水率和溫度主要影響基體和由基體控制的強度和剛度。對纖維的強度和剛度影響很小。

3.2.復合材料具有優異的耐濕熱性能，經濕熱環境768小時后，其在71℃狀態下的彎曲強度、模量和層間剪切強度的性能保持率較高。且熱壓法的性能保持率要明顯高于真空袋法和模壓法。

參考文獻：

[1]朱梅莊. 樹脂基復合材料層合板濕熱環境吸濕試驗方法 北京：中國航空工業總公司，1996.

[2]羅祖道，王震鳴編. 復合材料力學進展[M].北京：北京大學出版社，1—5.

[3]沈觀林.復合材料力學[M] 北京：清華大學出版社1996，201-213.