M40/648碳纖維環氧復合材料熱循環效應研究

秦 瑋，楊艷斌，張永泰，于 強，翟睿瓊，姜海富，柴麗華

（1.北京衛星環境工程研究所，北京 100094；2.北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100094；3.北京工業大學 材料學院，北京 100124）

0 引言

由于良好的力學性能和成熟的制造工藝，碳/環氧復合材料已被大量用于制造航天器的各種結構件，如天線結構、太陽電池陣基板、中心承力筒、桁架等[1-4]。航天器在軌運行期間要經歷冷黑環境（地球陰影區）與熱真空（地球向陽面）的交互作用，環境溫度交替變化。在低地球軌道運行的航天器表面溫度一般在172～566 K之間，服役期間要經歷數千次甚至上萬次的熱循環作用[5-7]，這對碳/環氧復合材料的環境耐受性提出了嚴峻考驗。

本文針對我國航天器上廣泛應用的 M40/648碳/環氧復合材料開展熱循環試驗研究，分析試驗前后材料的質量損失率、層間剪切性能、微觀形貌和表面成分，旨在為低地球軌道長壽命航天器用復合材料的選材及性能優化提供參考。

1 熱循環試驗方案

1.1 試驗設備

熱循環試驗在 F-10高低溫試驗系統內進行。具體試驗參數如表1所示。試驗材料為碳纖維環氧樹脂復合材料，由M40碳纖維和環氧648樹脂組成。圖1給出了1個循環周期內的溫度變化曲線。

表1 熱循環試驗參數Table 1 Parameters of thermal cycle test

圖1 熱循環溫度變化曲線Fig.1 Temperature curve for thermal cycling

1.2 試驗和測試方法

試驗后采用德國賽多利斯 ME215S高精度微量電子天平（量程0～210 g，精度10-5g）稱量樣品質量，并按公式(1)計算材料質量損失率。

式中：Mloss為樣品的質量損失率；M0為試驗前樣品的質量，g；Mt為試驗后樣品的質量，g。

采用萬能材料試驗機測試材料的層間剪切性能，測試樣品由 M40/648復合材料單向板制成，尺寸為 20 mm×6 mm×2 mm，測試過程按照 GB 3357—1982[8]的測試程序執行。

采用放大倍數為100倍的OLYMPUS GX-51光學顯微鏡觀察樣品表面形貌；采用加速電壓為15 kV的德國SUPRA55掃描電鏡觀察樣品微觀形貌；采用VG ESCALAB MKⅡ X-射線光電子能譜儀分析樣品表面成分的變化。

2 結果與討論

2.1 質量損失率

稱量熱循環試驗前后碳環氧復合材料樣品的質量，并通過計算獲得了熱循環作用下2種樣品的質量損失率，見表2。

表2 熱循環作用下樣品質量損失率Table 2 Mass loss rate of samples under thermal cycle effect

從表中可以看出，熱循環作用下材料的質量損失率相對較小，在 0.04%～0.07%之間，質損是由于在熱循環過程中材料吸附的水分及材料中小分子揮發造成的[9]。

2.2 層間剪切性能

圖 2為熱循環作用前后樣品的層間剪切強度測試結果。由圖可見：200次熱循環作用后，材料的層間剪切強度有所提高，增加了8.82%，這是由于熱循環的作用使得樹脂基體發生后固化反應，分子交聯密度增加[10-11]；而300次熱循環作用后，材料層間剪切強度呈現下降趨勢，與原始樣品相比下降了1.16%。

圖2 熱循環作用前后樣品層間剪切強度Fig.2 Interlaminar shear strength of samples before and after the thermal circle test

熱循環對復合材料的影響一般分為2個階段。

1）熱循環作用初期。此階段復合材料的力學性能有所提高。主要有兩方面的原因：一方面是因為復合材料制備過程中的固化工藝使材料內部產生了殘余應力，而初期熱循環的作用相當于退火效應，有利于復合材料內部的應力釋放；另一方面，熱循環達到一定溫度以上會使得樹脂基體發生后固化效應，分子交聯密度增加。這兩方面的作用導致熱循環第一階段中復合材料力學性能的提高。

2）熱循環作用中后期。該階段由于往復多次的溫度循環，復合材料中纖維與樹脂基體熱膨脹系數不匹配造成了界面位置應力集中，當應力超過了界面結合強度之后，就會出現纖維與樹脂界面脫粘，使得力學性能下降。從試驗結果中可以看到：200次熱循環試驗條件對樹脂基體與纖維的界面結合強度影響不大，沒有造成力學性能的下降，相反的，由于熱循環帶來基體后固化效應和分子鏈進一步有序、緊密的排列，使得復合材料力學性能有所提高；而300次熱循環作用后由于纖維與樹脂的界面脫粘，導致了層間剪切強度的下降。

2.3 表面形貌

利用光學顯微鏡對熱循環試驗前后的樣品表面宏觀形貌進行了觀察，如圖 3所示?？梢钥闯?，在熱循環作用后，材料表面樹脂基體顏色略有加深。

圖3 熱循環試驗前后樣品表面形貌Fig.3 Surface optical morphology of samples before and after thermal circle test

2.4 SEM形貌

利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了熱循環試驗前后樣品表面，結果如圖 4所示。從圖中可以看出：試驗前樣品表面較為平整，樹脂已基本覆蓋纖維材料；熱循環作用后SEM形貌沒有明顯變化。

圖4 熱循環試驗前后樣品SEM形貌Fig.4 SEM morphology of samples before and after thermal circle test

2.5 斷口形貌

圖 5給出了在熱循環作用前后樣品斷口形貌的 SEM 照片。從圖中可以看出：熱循環作用前（圖6(a)），材料的斷口形貌較為平整；經過熱循環作用材料斷口逐漸呈現凹凸不平的形貌；經300次熱循環作用后（圖6(c)），復合材料剪切斷口纖維被從基體樹脂中拔出的現象已較為明顯，說明熱循環作用造成了纖維與樹脂界面的脫粘。

圖5 熱循環試驗前后的樣品斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of samples before and after thermal circle test

復合材料的力學性能受到纖維強度、界面強度和基體樹脂強度 3方面影響[12-15]。熱循環的作用導致材料層間剪切強度先升后降，其原因主要是：對于未經熱循環作用樣品，樹脂基體在制造過程中存在應力集中現象，在進行層間剪切強度測試時，應力集中的部位優先成為破壞源，造成復合材料整體力學性能的下降；熱循環作用初期，基體本身的應力得到了釋放，強度提高，與纖維結合更為緊密，導致復合材料層間剪切強度得到了提升，這與 200次熱循環作用后的材料層間剪切強度數據一致；隨著熱循環次數的進一步增加，長期的冷熱交變使得樹脂基體與纖維的界面脫粘，界面強度下降，從而導致材料力學性能下降，SEM 斷口形貌的界面脫粘及纖維撥出現象證實了這一結論。

2.6 表面成分及結構

圖6為熱循環作用后樣品C1s峰的XPS分析結果。從圖中可以看出：熱循環試驗前樣品的 C峰位由285 eV（C—C鍵）、286.5 eV（C—O—C鍵）和287.6 eV（CHO鍵）組成；200次熱循環作用后，285 eV（C—C鍵）峰值強度增加，287.6 eV（CHO鍵）和286.5 eV（C—O—C鍵）峰值強度略有降低；300次熱循環作用后，C的3個特征峰強度均呈現下降趨勢，說明材料表面碳元素含量降低。熱循環過程中，一方面材料中樹脂基體發生后固化效應，材料表面分子交聯密度增大，另一方面材料中有機小分子物質存在揮發現象，二者綜合作用導致材料表面碳含量降低。

圖6 熱循環試驗前后樣品表面C1s譜Fig.6 C1s spectrum of samples before and after thermal cycle test

3 結束語

本文對M40/648碳環氧復合材料進行了200～300次熱循環試驗，溫度區間為-150～+150 ℃，得到以下結果：

1）熱循環作用后，M40/648碳環氧復合材料產生質量損失，質損率在0.04%～0.07%之間。

2）200次熱循環作用后，材料的層間剪切強度有所提高；而 300次熱循環作用后，材料層間剪切強度與原始樣品相比下降了1.16%。這說明熱循環作用對M40/648碳環氧復合材料力學性能影響較為復雜。

3）熱循環作用后，M40/648碳環氧復合材料表面形貌變化不大，但斷口表面在300次熱循環作用后出現界面脫粘，纖維被拔出的現象。

4）熱循環作用造成M40/648碳環氧復合材料表面有機分子鏈交聯及小分子物質揮發，致使300次熱循環試驗后材料表面碳元素含量降低。

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