三維多軸向經編碳/環氧復合材料高溫氧化壓縮性能研究

黨明光

中國直升機設計研究所 結構設計部 天津 300300

引言

現代材料科學技術發展神速，而其中復合材料技術發展研究愈加廣泛和深入。復合材料作為現代最前沿的材料之一，其技術研究成為衡量一個國家或地區經濟實力的標桿[1]。復合材料由增強材料和基體材料共同組成，兩者缺一不可，但是在其技術發展過程之中，增強材料逐漸轉型，表現為織物的增強[2]，其中三維多軸向經編復合材料各項力學性能都比傳統材料優異很多。除此之外，三維多軸向經編復合材料在編制成型工藝上有極大改進[3]，能一次性將多層增強纖維紗和表面氈編織成為一體，制備出預制件[4]，可以顯著提高材料各項力學性能參數。因此，三維多軸向經編復合材料被廣泛運用到航空航天、風力發電以及民用體育用品等諸多領域[5]。

1 試樣的制備

本文采用材料結構分別為［0°/0°/0°/0°］和［0°/90°/+45°/-45°］的三維多軸向經編碳纖維預制件，并通過真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VARTM）工藝，制備獲取兩種不同結構的三維多軸向經編碳/環氧復合材料。

根據ASTM D6641和ASTM D3410-2003測試標準，將制備好的三維多軸向經編碳/環氧復合材料切割成標準試樣，如圖1所示。將結構為［0°/0°/0°/0°］材料記作A，結構為［0°/90°/+45°/-45°］材料記作B。室溫記作RT；材料A橫向壓縮試樣記作AT，材料A縱向壓縮樣品記作AL，材料B橫向壓縮試樣記作BT，材料B縱向壓縮試樣記作BL。將同種結構復合材料分成兩組，置于干燥烘箱之中進行干燥，一組進行相同溫度下（75℃）不同時間（3d、6d、9d、12d）的高溫氧化處理，另一組進行相同時間下（3d）不同溫度（50℃、75℃、100℃、125℃）的高溫氧化處理。然后在相應溫度下，在WDW-100型萬能力學試驗機上進行壓縮實驗。高溫氧化壓縮試樣具體參數在表1中列出。

圖1 高溫氧化壓縮試樣

表1 高溫氧化壓縮試樣參數

2 實驗數據

2.1 應力-應變曲線

圖2 材料A高溫氧化壓縮應力-應變曲線

圖3 材料B高溫氧化壓縮應力-應變曲線

2.2 高溫氧化壓縮強度和模量

2.3 試樣破壞后的SEM照片

3 結果討論與分析

從材料A和材料B的橫向壓縮和縱向壓縮的應力應變曲線圖可以發現，隨著高溫氧化溫度的提高，曲線峰值逐漸降低，說明溫度升高會使材料的壓縮強度變低；在溫度恒定的情況下，隨著高溫氧化時間的增加，曲線峰值逐漸降低，但是高溫氧化處理12d的材料壓縮強度卻得到提升，這說明隨著高溫氧化時間的逐步增加，材料可能會出現二次交聯，使材料的壓縮性能得到提升。

材料A和材料B橫縱向的壓縮強度和模量分別關于溫度和時間的坐標圖如圖4。從壓縮強度-溫度圖以及壓縮模量-溫度圖可以看出，隨著溫度升高，無論是材料A和B的橫向壓縮強度和模量還是縱向壓縮強度和模量，它們都呈現出明顯的下降趨勢，說明高溫氧化溫度的升高會使復合材料進入塑性平臺，進而纖維束強度發生下降，基體強度也發生下降，以及纖維束和基體之間的黏結強度也發生下降，從而導致其壓縮力學性能的下降。從壓縮強度-高溫氧化時間-圖以及壓縮模量-高溫氧化時間-圖可以看出，隨著高溫氧化處理時間的延長，曲線呈現出先下降后上升的趨勢，即材料A和B的橫縱向壓縮強度和模量先下降后上升，這說明高溫氧化處理時間達到12d之后，材料A和B可能會出現二次交聯，從而使材料力學性能得到提高。

為了進一步探究材料在高溫氧化情況下的失效機理，我們對材料進行了SEM顯微觀察，SEM電鏡照片如圖5。從圖5a可以看出，材料纖維束保持的比較完好，材料發生界面開裂，界面開裂可能是導致材料失效的主要原因；從圖5b可以看出，材料纖維束發生嚴重的斷裂，剪切行為明顯，因此材料的失效不僅與界面開裂有關，還涉及材料纖維束的斷裂和剪切；從圖5c可以看出，在材料開裂基礎上，纖維束發生部分斷裂，這可能導致材料強度和模量下降，同時發現材料的纖維束黏結比較緊密，且纖維束間存在細小顆粒，說明材料在高溫氧化處理12d之后，發生二次交聯固化，從而使材料的強度和模量得到提高；從圖5d可以看出，纖維束結合比較緊密，但界面開裂現象明顯，說明界面的開裂是導致材料失效的主要原因；從圖5e可以看出，當溫度升到100℃時，材料的纖維束表面變得更加光滑，但是部分基體從界面滑落，材料的基體破壞更加嚴重；從圖5f可以看出，當溫度升到125℃時，材料基體破壞更加明顯，并且纖維束的斷裂情況比100℃下的更加明顯。以上可以看出，高溫氧化溫度的提高會使材料纖維束的斷裂更加明顯，基體開裂更加明顯，從而導致材料力學性能下降，高溫氧化時間的逐步增加會使材料發生纖維束和基體的脫粘，當高溫氧化處理的時間達到一定時，材料會出現纖維束基體界面的黏合，從而使材料的力學性能先下降再上升。

圖5 不同溫度時間處理下材料壓縮破壞SEM照片

4 實驗結論

通過對兩種結構A［0°/0°/0°/0°］和B［0°/90°/+45°/-45°］的三維多軸向經編復合材料進行橫行和縱向的高溫氧化壓縮實驗，可以發現高溫氧化溫度和高溫氧化時間對材料力學性能的影響明顯。在保持高溫氧化時間不變的情況下，高溫氧化溫度的升高，會明顯導致材料的力學性能下降；在保持高溫氧化溫度不變的情況下，高溫氧化時間的延長，會使材料產生二次交聯，材料的力學性能先下降再上升。通過分析實驗曲線以及實驗樣品破壞的SEM照片，發現高溫氧化溫度的提高會使纖維束的斷裂和基體的開裂更加明顯，高溫氧化時間的逐步增加會使材料的纖維束基體界面發生脫粘和再結合。