濕熱老化對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料力學(xué)性能的影響*

張承雙，沈 明，崔 霞，王 健

(西安航天復(fù)合材料研究所，陜西西安 710025)

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試驗(yàn)與研究

濕熱老化對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料力學(xué)性能的影響*

張承雙，沈 明，崔 霞，王 健

(西安航天復(fù)合材料研究所，陜西西安 710025)

分別利用材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和DMA研究了濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料靜態(tài)力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，在濕熱環(huán)境下加速老化不同時(shí)間后，PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量、彎曲強(qiáng)度和模量并未發(fā)生明顯變化；壓縮強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度均出現(xiàn)了一定程度的下降，最大降幅分別為14.4%和9.5%；濕熱老化使得PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的耐熱性有所提高，當(dāng)老化時(shí)間為30d時(shí)，混雜復(fù)合材料的Tg從127.6℃升高到136.3℃，隨著老化時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，混雜復(fù)合材料的Tg降低，E′和E″向低溫方向移動(dòng)，表明混雜復(fù)合材料的耐熱性又開(kāi)始下降。

PBO纖維，T700碳纖維，混雜復(fù)合材料，力學(xué)性能，濕熱老化

PBO纖維被譽(yù)為21世紀(jì)的超級(jí)纖維，它不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性能，同時(shí)具有良好的抗沖擊性能和透波性能，可以用作結(jié)構(gòu)材料、耐熱材料、阻尼材料和隱身材料等，在航天、航空、宇航和兵器裝備等尖端技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的推廣應(yīng)用前景[1-4]。然而，已有的研究表明，PBO纖維復(fù)合材料可能存在壓縮性能偏低和老化性能較差等問(wèn)題，這在一定程度上限制了PBO纖維的工業(yè)應(yīng)用范圍[5-8]。

本項(xiàng)目組選擇T700碳纖維作為混雜組分，采用干法纏繞成型工藝制備了PBO纖維與T700碳纖維層間混雜復(fù)合材料，以期提高PBO纖維復(fù)合材料的抗壓縮性能，并改善其耐老化性能，結(jié)果表明，PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的軸壓承載性能遠(yuǎn)高于PBO纖維復(fù)合材料[9-10]。在改善PBO纖維復(fù)合材料的老化性能方面，本文通過(guò)人工加速老化試驗(yàn)方法研究了濕熱老化對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，利用材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)研究了PBO/T700層間混雜復(fù)合材料拉伸、彎曲、壓縮和剪切等靜態(tài)力學(xué)性能隨濕熱老化時(shí)間的變化情況，采用DMA對(duì)濕熱老化不同時(shí)間后PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

PBO纖維：Zylon-HM，由日本東洋紡公司提供。碳纖維：T700-12K，由日本東麗公司提供。樹(shù)脂體系：GF-2環(huán)氧，本項(xiàng)目組自主開(kāi)發(fā)，樹(shù)脂基體由中國(guó)藍(lán)星化工新材料有限公司無(wú)錫樹(shù)脂廠提供。原材料主要性能見(jiàn)表1。

表1 原材料主要性能

1.2 試樣制備

采用干法纏繞成型工藝制備PBO/T700層間混雜復(fù)合材料，纖維體積含量為60%±2%，混雜比為0.2(本文所定義的混雜比為PBO纖維與T700碳纖維混雜復(fù)合材料中T700碳纖維的體積分?jǐn)?shù))。分別制備PBO纖維預(yù)浸料和T700碳纖維預(yù)浸料，根據(jù)設(shè)計(jì)的鋪層參數(shù)將兩種預(yù)浸料分別纏繞到金屬芯模上，經(jīng)固化、脫模后得到混雜復(fù)合材料單向板，利用水切割設(shè)備將混雜復(fù)合材單向板加工成一定規(guī)格的試樣。

1.3 濕熱老化試驗(yàn)

分別將PBO/T700層間混雜復(fù)合材料拉伸、彎曲、壓縮、剪切和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試試樣放置于濕熱老化試驗(yàn)箱中，在溫度為(60±2)℃、濕度為(93±3)%條件下分別放置1d、7d、30d和90d，將放置不同時(shí)間后的試樣取出進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

1.4 性能測(cè)試與表征

分別根據(jù)GB/T 3354-2014、GB/T 3356-2014、GB/T 3856-2005、JC/T 773-2010標(biāo)準(zhǔn)，利用INSTRON 5500R型材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)濕熱老化不同時(shí)間后PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的拉伸、彎曲、壓縮和剪切性能進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸分別為230mm×15mm×2mm、100mm×12.5mm×2mm、140mm×6mm×2mm和20mm×6mm×2mm，加載速度為2mm/min。

采用DMA 242 C型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA)對(duì)濕熱老化不同時(shí)間后PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行分析，試樣尺寸為35mm×10mm×2mm，氮?dú)鈿夥眨l率1.0Hz，升溫速率3℃/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的影響見(jiàn)圖1。由圖可見(jiàn)，PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為2040MPa，經(jīng)濕熱老化1d、7d、30d和90d后，拉伸強(qiáng)度分別為2050MPa、2080MPa、2105MPa和2050MPa。可見(jiàn)，混雜復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度在濕熱環(huán)境下加速老化不同時(shí)間后并未發(fā)生明顯變化。PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的拉伸模量為126GPa，經(jīng)濕熱老化90d后，拉伸模量變?yōu)?23GPa。可見(jiàn)，人工加速濕熱老化對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的拉伸模量影響較小。對(duì)比PBO纖維在濕熱環(huán)境下加速老化后出現(xiàn)的拉伸性能大幅下降現(xiàn)象[11]，上述結(jié)果表明，如果將PBO纖維與碳纖維復(fù)合制備成層間混雜復(fù)合材料，可能會(huì)有效地緩解PBO纖維拉伸性能在濕熱環(huán)境中的退化問(wèn)題。

圖1 濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和模量的影響

2.2 彎曲性能

濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彎曲模量的影響見(jiàn)圖2。由圖可見(jiàn)，PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為1090MPa，經(jīng)濕熱老化1d、7d、30d和90d后，彎曲強(qiáng)度分別變?yōu)?180MPa、1130MPa、1180MPa和1045MPa。可見(jiàn)，混雜復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度在濕熱老化不同時(shí)間后并未發(fā)生明顯下降。PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的彎曲模量為116GPa，經(jīng)濕熱老化1d、7d、30d和90d后，彎曲模量分別變?yōu)?05GPa、102GPa、102GPa和119GPa。可見(jiàn)，混雜復(fù)合材料的彎曲模量在濕熱老化不同時(shí)間后未出現(xiàn)顯著下降。這些結(jié)果表明，人工加速濕熱老化對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量影響較小。

圖2 濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和模量的影響

2.3 壓縮性能

濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖3。由圖可見(jiàn)，PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度為375MPa，經(jīng)濕熱老化不同時(shí)間后，壓縮強(qiáng)度出現(xiàn)了一定程度的下降，最大降幅約為14.4%。這可能是由于濕熱環(huán)境中的水分子通過(guò)界面擴(kuò)散作用滲透到混雜復(fù)合材料內(nèi)部，使得材料體系中的缺陷增多，界面粘接性能下降，從而導(dǎo)致混雜復(fù)合材料的承載性能降低。

圖3 濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料壓縮 強(qiáng)度的影響

2.4 剪切性能

濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖4。由圖可見(jiàn)，經(jīng)濕熱老化不同時(shí)間后，PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度出現(xiàn)了一定程度的下降。當(dāng)濕熱老化時(shí)間為30d時(shí)，PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度為30.4MPa，較加速老化前下降9.5%，這可能與混雜復(fù)合材料壓縮性能的下降原因一致。

圖4 濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料層間 剪切強(qiáng)度的影響

2.5 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

濕熱老化不同時(shí)間后PBO/T700層間混雜復(fù)合材料損耗因子tanδ的變化情況見(jiàn)圖5，濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響見(jiàn)表2。從表中結(jié)果可以看出，PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為127.6℃，經(jīng)濕熱老化1d、7d和30d后，復(fù)合材料的Tg分別增大為129.3℃、132℃和136.3℃，當(dāng)濕熱老化時(shí)間繼續(xù)增加為90d時(shí)，Tg又下降為119.5℃。這可能是由于在濕熱老化的初始階段，PBO/T700層間混雜復(fù)合材料內(nèi)部的環(huán)氧樹(shù)脂基體在溫度的作用下發(fā)生了后固化效應(yīng)，使得樹(shù)脂體系交聯(lián)密度增加，與此同時(shí)，復(fù)合材料體系內(nèi)部的熱應(yīng)力得到了充分釋放，這些結(jié)果導(dǎo)致混雜復(fù)合材料的耐熱性有所提高。然而，隨著濕熱老化時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)，濕熱環(huán)境中的水分子通過(guò)擴(kuò)散作用滲透到混雜復(fù)合材料內(nèi)部，使得混雜復(fù)合材料體系中的缺陷不斷增多，最終導(dǎo)致材料的耐熱性能下降。這表明，PBO/T700層間混雜復(fù)合材料長(zhǎng)期處于濕熱環(huán)境中，可能會(huì)造成材料耐熱性下降[12]。

圖5 濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料 損耗因子tanδ的影響

老化時(shí)間/d玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg/℃tanδ01276045511293030871320045130136304519011950468

PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的貯能模量E′和損耗模量E″隨濕熱老化時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖6和圖7。由圖可見(jiàn)，經(jīng)濕熱老化一定時(shí)間后，PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的E′和E″分別向高溫方向移動(dòng)，這表明混雜復(fù)合材料中樹(shù)脂基體發(fā)生α轉(zhuǎn)變的溫度逐漸升高，聚合物分子鏈段運(yùn)動(dòng)需要克服的內(nèi)摩擦阻力增大，說(shuō)明濕熱老化初期PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的耐熱性有所提高。但是，當(dāng)濕熱老化時(shí)間進(jìn)一步增加為90d時(shí)，混雜復(fù)合材料的E′和E″又開(kāi)始向低溫方向移動(dòng)，說(shuō)明混雜復(fù)合材料的耐熱性又開(kāi)始下降，這與混雜復(fù)合材料Tg的變化過(guò)程一致。

圖6 濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料 貯能模量E′的影響

圖7 濕熱老化時(shí)間對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料 損耗模量E″的影響

3 結(jié)論

(1)濕熱老化對(duì)PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能影響較小。

(2)濕熱老化導(dǎo)致PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的壓縮性能和剪切性能下降，最大降幅分別為14.4%和9.5%。

(3)在濕熱老化的初始階段，PBO/T700層間混雜復(fù)合材料的耐熱性有所提高，當(dāng)老化時(shí)間增加為90d時(shí)，混雜復(fù)合材料的Tg降低，E′和E″向低溫方向移動(dòng)，表明混雜復(fù)合材料的耐熱性又開(kāi)始下降。

[1] So Y H.Rigid-rod polymers with enhanced lateral interactions[J].Progress in Polymer Science，2000，25：137-157.

[2] Hu X D，Jenkins S E，Min B G，et al. Rigid-rod polymers：synthesis，processing，simulation，structure，and properties[J].Macromolecular Materials and Engineering，2003，288：823-843.

[3] Chae H G，Kumar S.Rigid-rod polymeric fibers[J]. Journal of Applied Polymer Science，2006，100：791-802.

[4] Ombres L.Structural performances of reinforced concrete beams strengthened in shear with a cement based fiber composite material[J]. Composite Structures，2015，122：316-329.

[5] Martínez K T，Rodil S V，Paredes J I，et al. Thermal decomposition of poly(p-phenylene benzobisoxazole) fibres monitoring the chemical and nanostructural changes by Raman spectroscopy and scanning probe microscopy[J].Polymer Degradation and Stability，2004，86：263-268.

[6] Walsh P J，Hu X B，Cunniff P，et al. Environmental effects on poly-p-phenylenebenzobisoxazole fibers.I.Mechanisms of degradation[J].Journal of Applied Polymer Science，2006，102：3517-3525.

[7] Chin J，F(xiàn)orster A，Clerici C，et al. Temperature and humidity aging of poly(p-phenylene-2，6-benzobisoxazole) fibers：Chemical and physical characterization[J].Polymer Degradation and Stability，2007，92：1234-1246.

[8] 張承雙，劉寧，包艷玲，等.熱氧老化對(duì)PBO纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].合成材料老化及應(yīng)用，2016，45(5)：17-21.

[9] 張承雙，崔霞，李翠云，等.PBO-C/E復(fù)合材料的界面及壓力容器性能[J].宇航材料工藝，2015，45(2)：29-32.

[10] 張承雙，崔霞，李翠云，等.PBO/T700層間混雜復(fù)合材料彎曲及壓縮性能研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2015(11)：34-37.

[11] 宋波，傅倩，劉小云，等.環(huán)境因素對(duì)PBO纖維老化的影響和儲(chǔ)存壽命預(yù)測(cè)[J].材料研究學(xué)報(bào)，2010，24(5)：487-492.

[12] 孫博，李巖.復(fù)合材料濕熱老化行為研究及其耐久性預(yù)測(cè)[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2013(4)：28-34.

Hygrothermal Aging Effects on Mechanical Properties of PBO/T700 Hybrid Composites

ZHANG Cheng-shuang，SHEN Ming，CUI Xia，WANG Jian

(Xi’an Aerospace Composites Research Institute，Xi’an 710025，Shaanxi，China)

The hygrothermal aging effects on static and dynamic mechanical properties of PBO/T700 hybrid composites were studied in this paper by universal testing machine and dynamic mechanical analysis respectively. The results indicated that the tensile strength and modulus，flexural strength and modulus of PBO/T700 hybrid composites experience little change after hygrothermal aging. While the compressive strength and interlaminar shear strength of the hybrid composites declined with maximum drop of 14.4% and 9.5% respectively. The heat-resistance property of PBO/T700 hybrid composites increased to some extent after hygrothermal aging. The glass transition temperature(Tg) of the composites upgrade from 127.6℃ to 136.3℃ after hygrothermal aging for 30 days. However，theTgof the composites degraded，theE′ andE″ shift toward low temperature with aging time increasing，which means a decline of heat-resistance property of the composites.

PBO fiber，T700 carbon fiber，hybrid composites，mechanical properties，hygrothermal aging

國(guó)防科工局軍品配套科研項(xiàng)目(JPPT-125-GJGG-31-2)

張承雙，博士，高工，主要從事先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料成型工藝與應(yīng)用研究；E-mail：cszhang83@163.com；Tel：13201708805

TQ 342.73