預混料吸濕對復合材料內部質量的影響

操亞平 程茶園 李 然 李 寅 馮志海

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 在RH85%的環境下，將高硅氧/酚醛預混料吸濕24 h 后壓制成復合材料，對試樣進行無損檢測和力學性能分析。結果表明：預混料吸濕后其復合材料內部存在大量缺陷，其中Ⅱ類區面積37.4%，Ⅲ類區面積49.8%；力學性能下降幅度較大，拉伸強度、壓縮強度、沖壓剪切強度分別下降了55%、60%、15%，但彎曲強度變化較小。分析表明：預混料吸濕的水分一部分在樹脂固化時，成為氣孔，形成Ⅱ類區；另一部分進入纖維，削弱樹脂和纖維界面間的粘接力，嚴重時出現脫粘，形成Ⅲ類區，降低材料力學性能。

0 引言

高硅氧/酚醛短纖維是一類常見的防隔熱復合材料，它由高硅氧/酚醛預混料壓制而成。預混料在貯存和使用過程中不可避免的要受到濕度的影響，預混料中酚醛樹脂和高硅氧纖維吸濕后，在固化過程中容易在復合材料中形成氣孔，削弱樹脂和纖維界面，降低纖維的承載能力，進而影響制品的內部質量。國內外對樹脂基復合材料在使用過程中受環境因素的影響研究較多［1-5］，有關吸濕對預混料中樹脂和纖維的影響也同樣重要［6］，但這方面研究較少。本文對高硅氧/酚醛預混料進行吸濕實驗，并壓制試樣板。對試樣板進行無損探傷，表征其內部缺陷；通過拉伸試驗、彎曲試驗、孔隙率測試及SEM分析內部缺陷產生機理及其對制品性能的影響，擬為預混料在濕熱天氣下貯存及使用提供一定的依據，避免制品因此出現性能降低甚至批次性報廢現象。

1 實驗

1.1 材料

短切高硅氧玻璃纖維，SiO2質量分數≥96%（纖維長度36 mm），陜西華特玻璃纖維有限責任公司；鎂酚醛樹脂，河北高碑店銅山化工廠；工業酒精。

1.2 設備

HTF399電熱鼓風干燥箱，重慶顥源環境試驗設備有限公司；SDH101P可編程恒溫恒濕箱，重慶顥源環境試驗設備有限公司；YT32-100A四柱液壓機，天津鍛壓機床廠；INSTRON 8032動態材料試驗機，英國INSTRON公司；Quanta 650 FEG掃描電鏡，美國FEI公司。

1.3 材料制備

高硅氧/酚醛復合材料制作主要包括以下四個步驟:首先將短切高硅氧玻璃纖維烘干去水分；其次是加入鎂酚醛樹脂，烘干制成預混料；再將烘干的預混料在恒濕箱中存放24 h；最后將預混料放入模具，用壓機模壓成型復合材料。

1.4 預混料吸濕處理及測試分析

1.4.1 吸濕處理及測試分析

設置恒溫恒濕箱溫度30 ℃、濕度85%，將預混料裝入敞口容器，放置于恒溫恒濕箱24 h。截取時間點為吸濕20、40、60、80、100、120 min，每個時間節點后稱重，測三個試樣取平均值。計算t時吸濕率Mt:

式中，Wt為試樣t時吸濕后的質量，W0為試樣初始質量。

1.4.2 內部質量檢測分析

制品的內部質量檢測按照GJB 1038.1A—2014執行。規定超聲時穿透信號明顯下降，被檢制品內部存在密集氣孔、疏松、纖維皺褶、富樹脂或貧樹脂的缺陷為Ⅱ類區；規定超聲穿透信號嚴重下降或消失，被檢制品內部存在分層、嚴重密集氣孔、嚴重疏松、嚴重富樹脂或嚴重貧樹脂的缺陷為Ⅲ類區。

1.4.3 力學性能測試分析

復合材料的力學性能在動態材料試驗機上測試。拉伸強度根據GB/T1447—2005測試；彎曲強度根據GB/T 9341—2000測試；壓縮強度根據GB/T1448—2005測試；沖壓剪切強度根據GB/T15598—1995測試。

1.4.4 SEM觀察分析

用Quanta 650 FEG掃描電鏡，對試樣表面噴金處理后進行SEM觀察分析。

2 結果與討論

2.1 吸濕行為分析

預浸料吸濕行為曲線如圖1所示。

圖1 預混料吸濕曲線Fig.1 Moisture curve of premix

從圖1可見，在高濕狀態下，最初60 min為預混料快速吸濕階段，其后吸濕曲線變得平緩。這與預混料處于蓬松狀態有關，包裹在纖維上的酚醛樹脂最先吸濕，之后纖維吸濕，后者吸濕速率較小。按公式（1）計算得到預混料的吸濕率為1.05%。

2.2 缺陷區域分析

預混料吸濕后其復合材料超聲掃描結果見圖2。其中Ⅱ類區（灰色區域）面積37.4%，Ⅲ類區（深黑色區域）面積49.8%，無內部質量缺陷區域（白色區域）為12.8%。由圖2還可以看出，預混料經RH85%處理后其復合材料內部出現大面積缺陷。這主要是因為預混料吸濕后進入樹脂的水分，在固化時形成氣泡，稱為Ⅱ類區；進入纖維和樹脂界面的水分，固化時界面存在脫粘，稱為Ⅲ類區。另外，從圖2上還可以看出樣板邊緣內部缺陷比中間嚴重程度要低，這主要是因為在模壓時樣板邊緣的模具設計有間隙，水汽在材料固化時可從邊緣逸出，邊緣位置缺陷較少。

圖2 試樣探傷結果Fig.2 Ultrasonic result of specimen

2.3 吸濕對Ⅱ類區的影響

復合材料的微觀形貌如圖3所示。

圖3 試樣掃描電鏡照片Fig.3 SEM images of specimen

從圖3可以看出，預混料濕熱處理后與未吸濕處理相比，其復合材料樹脂層斷面上氣孔（直徑為1μm左右）非常多，這是主要是因為預混料在高濕狀態下，吸收水分。在固化過程中，當溫度高于100 ℃時，水分變成水汽。當樹脂中存在的水汽蒸汽壓大于樹脂內部的壓力時，則會形成氣泡并生長。圖4是鎂酚醛樹脂的黏度-溫度曲線，可知，在溫度高于100 ℃后，樹脂黏度隨時間增加而變大，當樹脂的黏度大到一定程度時，形成的氣孔無法及時排出，便留在了復合材料內部形成缺陷［7］。

圖4 鎂酚醛樹脂的黏度-溫度曲線Fig.4 Viscosity-temperature curve of Mg-phenolic resin

2.4 吸濕對Ⅲ類區的影響

預混料經過高濕處理和未處理的的復合材料掃描電鏡照片見圖5。由圖5可見，預混料未經過高濕處理的復合材料試樣斷口較為整齊，纖維表面覆蓋大量的樹脂，這表明樹脂包覆著纖維，界面結合情況良好；預混料經過RH85%處理后的復合材料試樣斷口參差不齊，有較多的纖維裸露，纖維表面較為光潔，并有纖維拔出的孔洞存在，這表明纖維和樹脂界面結合力下降，出現脫粘現象，從而導致復合材料的力學性能下降。這是因為預混料在吸濕過程中，水分在“毛細作用”下沿界面快速滲透到纖維。當酚醛樹脂固化時，水汽在纖維表面形成薄層，不利于粘結，嚴重時導致脫粘，降低了界面結合強度，形成Ⅲ類區。

圖5 試樣掃描電鏡照片Fig.5 SEM images of specimen

2.5 吸濕對力學性能的影響

吸濕對復合材料力學性能的影響見表1。

由表1可看出，預混料經過高濕處理和未處理的試樣相比，其壓縮強度、拉伸強度、沖壓剪切強度分別降低約60%、55%、15%，但是兩種狀態試樣的彎曲強度卻相近，說明彎曲強度受濕度影響較小。

表1 吸濕對復合材料力學性能的影響Tab.l Effect of moisture absorption on mechanical properties of composite material

3 結論

（1）在高濕狀態下，預混料吸濕壓制成的復合材料，經無損檢測、SEM分析發現內部存在缺陷。形成缺陷的主要原因是一部分水分在樹脂固化時，成為氣孔，形成Ⅱ類區；另一部分進入纖維，削弱樹脂和纖維界面粘結力，嚴重時出現脫粘，形成Ⅲ類區。

（2）預混料吸濕后的復合材料力學性能測試結果表明:壓縮強度、拉伸強度、沖壓剪切強度分別降低約60%、55%、15%；而彎曲強度卻相近，這說明預混料吸濕產生的內部缺陷對拉伸強度，壓縮強度及沖壓剪切強度影響較大，對彎曲強度影響較小。