濕熱老化對亞麻纖維增強泡沫夾芯板沖擊力學(xué)性能的影響

劉 瑩，王沁宇，楊 博，郭會麗，崔曉晟，談建平

（1. 河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院洛陽分院, 河南 洛陽 471000；2. 福建福清核電有限公司, 福建 福清 350318；3. 上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院, 上海 200062；4. 上海空間推進(jìn)研究所, 上海 201112；5. 華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院, 上海 200237）

近年來，復(fù)合材料夾芯板已廣泛應(yīng)用于航空航天、現(xiàn)代地面、海運以及風(fēng)能結(jié)構(gòu)等眾多工業(yè)領(lǐng)域。然而，復(fù)合材料夾芯板受到低速沖擊時，極易出現(xiàn)永久損傷，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，剩余強度下降，對結(jié)構(gòu)安全性造成威脅[1-4]。復(fù)合材料夾芯板抗沖擊性能受其面板和芯材的材料性能以及兩者之間黏結(jié)性能的影響。低速沖擊下，復(fù)合材料夾芯板的損傷主要包括：外部面板的纖維斷裂、樹脂基體開裂和纖維層間分層；中間芯材的壓潰、剪切破壞以及脫粘[5-7]。此外，夾層板易受環(huán)境影響，如暴露在濕熱條件下或浸泡在水中時可能降低夾層板的機械性能，包括拉伸、壓縮和彎曲性能[8-10]。因此，研究濕熱老化對復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)安全性和適用性的影響具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者研究了復(fù)合材料在濕熱環(huán)境下的性能變化規(guī)律。環(huán)境溫度和濕度的共同作用往往使復(fù)合材料的性能發(fā)生退化，是材料腐蝕失效的主要原因之一[11]。在溫度和濕度的共同作用下，復(fù)合材料夾芯板中的樹脂基體會發(fā)生水解、膨脹、增塑、開裂等損傷，破壞纖維與樹脂之間的黏結(jié)，導(dǎo)致其性能退化[12]。濕度和溫度對材料的影響與水分子擴(kuò)散相關(guān)[13]。提高溫度會加快材料的吸濕速度，同時還會加快反應(yīng)速率，導(dǎo)致水分子對材料的影響更加明顯[14-18]。光老化主要對復(fù)合材料夾芯板的面板產(chǎn)生作用，對材料的整體性能影響較小[19]。

張曉云等[20]研究表明，當(dāng)環(huán)境的相對濕度超過60%時，樹脂基體會出現(xiàn)較明顯的損傷，而吸濕過程中的溫度和吸濕平衡后的儲水時間是影響損傷程度的主要原因。Jedidi 等[21]對使用不同樹脂基體的碳纖維增強復(fù)合材料（carbon fiber reinforced plastic，CFRP）進(jìn)行了濕熱疲勞老化研究，發(fā)現(xiàn)在濕熱疲勞的影響下聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，同時長周期的濕熱老化導(dǎo)致復(fù)合材料性能發(fā)生明顯的下降。Haddar 等[22]研究了CFRP 在濕熱環(huán)境中的吸濕行為，發(fā)現(xiàn)CFRP 的吸濕行為在高溫和高濕的老化條件下與Fick 第二定律相似，同時升高老化溫度會導(dǎo)致CFRP 的吸濕平衡時間縮短、材料性能退化。Li 等[23]研究了海水對泡沫芯復(fù)合夾層的影響，評估了由于長時間暴露而導(dǎo)致的泡沫材料質(zhì)量增加、膨脹應(yīng)變和性能退化，通過實驗和數(shù)值方法探究了海水對泡沫材料斷裂行為和蒙皮/堆芯界面性能的影響。Katzman 等[24]對石墨-環(huán)氧面板和泡沫芯的夾層材料進(jìn)行了水分?jǐn)U散實驗，建立了適用于夾層結(jié)構(gòu)的多層擴(kuò)散模型，結(jié)果表明，面板可以延緩水分向泡沫芯擴(kuò)散，但不能阻止泡沫芯吸收水分。Joshi 等[25]利用有限元方法評估了瞬態(tài)水分?jǐn)U散對由纖維增強層壓面板和聚合物泡沫芯組成的夾層板變形的影響，結(jié)果表明，由于黏彈性的泡沫芯沒有降解，導(dǎo)致夾層板的整體變形增加，同時由于泡沫芯的瞬態(tài)模量隨水含量的增加而下降，導(dǎo)致夾層板的變形更加嚴(yán)重。

諸多文獻(xiàn)闡明了濕熱老化對夾層板彎曲性能、平壓縮性能和邊緣壓縮性能的影響[26-30]。然而，低速沖擊對復(fù)合材料夾芯板力學(xué)性能的影響較復(fù)雜，用理論和模擬等方法進(jìn)行預(yù)測比較困難。同時，濕熱老化對夾層板結(jié)構(gòu)和層間性能的影響較大，為了確保復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)在實際工程應(yīng)用中的安全性，對濕熱老化后的抗沖擊性能開展深入研究十分重要。本工作采用真空輔助樹脂注入（vacuum assisted resin infusion，VARI）方法制備由亞麻纖維面板和聚氨酯泡沫材料芯組成的夾層板，對不同濕熱老化條件下夾層板復(fù)合材料的吸濕性能和低速沖擊性能進(jìn)行研究，對比不同老化溫度、老化時間和沖擊能量下夾芯板的沖擊力學(xué)響應(yīng)，以揭示該材料在濕熱老化下沖擊性能的退化規(guī)律和退化機理。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗樣品

本研究的亞麻纖維夾芯結(jié)構(gòu)由纖維復(fù)合材料面板和泡沫夾芯材料組成。面板為亞麻織物增強乙烯基樹脂。樹脂基體可與加速劑二甲基苯胺和硬化劑甲基乙基酮混合并在室溫下固化。正交平面編織亞麻織布的表面密度為500 g/m2，單層厚度為1 mm，由中國孟泰增強復(fù)合材料公司提供。所有試件的上下面板均鋪設(shè)2 層亞麻纖維編織物，聚氨酯泡沫塑料的密度為75 kg/m3，厚度為10 mm。

采用VARI 制備泡沫夾芯板，圖1 為VARI 制備過程示意圖。具體制備過程如下：首先，將樹脂、固化劑和促進(jìn)劑按100∶1∶0.1 的質(zhì)量比混合，把導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布、亞麻纖維布、聚氨酯泡沫塑料、脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)依次鋪設(shè)在工作臺上；然后，用真空袋形成密閉的空間，并預(yù)留導(dǎo)流口連接樹脂和真空泵；接著，利用真空泵排除密閉空間的氣體，形成負(fù)壓區(qū)，吸引樹脂沿著設(shè)計的路線流動，并逐漸滲透纖維，實現(xiàn)樹脂對纖維的浸漬；最后，待試件冷卻固化后，脫模，切割，得到復(fù)合材料泡沫夾芯板。

圖1 VARI 制備過程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of VARI process

1.2 濕熱老化處理

濕熱老化實驗在水浴箱中實施，如圖2(a)所示，控制老化水溫，研究在25、40、55 和70 ℃的老化溫度（Ta）下樣品的老化規(guī)律。濕熱老化時間（ta）最長為30 d，每天在固定時間用分析天平（精度為0.5 mg）測量樣品質(zhì)量，以獲取材料的吸濕規(guī)律。為了評估濕熱老化時間對抗沖擊性能的影響，分別選取老化天數(shù)為10、20、30 d 的樣品進(jìn)行低速沖擊實驗，每種老化樣品測試3 個。

1.3 低速沖擊實驗

沖擊實驗系統(tǒng)由夾具、落錘裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3 部分組成，如圖2(b)所示。低速沖擊實驗參考ASTM D7136 標(biāo)準(zhǔn)。為了測試尺寸為100 mm×10 mm×14 mm 的樣品，設(shè)計了圖2(b)所示夾具，該夾具由3 塊尺寸為100 mm×150 mm×10 mm 且中間帶有直徑為76 mm 圓孔的鋼板組成。落錘的總質(zhì)量為4.5 kg，直徑為16 mm。實驗前校準(zhǔn)沖擊儀器，由力傳感器采集沖擊時的接觸力，沖擊實驗在室溫下進(jìn)行，選取8、10 和12 J 3 種沖擊能量（E0），對應(yīng)的沖擊速度（v0）分別為1.89、2.11、2.31 m/s。位移由激光探測器測量。在正交實驗中，有老化溫度（25、40、55、70 ℃）和老化時間（10、20、30 d）2 個參數(shù)。對比不同老化情況下樣品的抗低速沖擊能力，記錄沖擊響應(yīng)歷程，觀察樣品破壞特征，以揭示其損傷失效模式。

圖2 濕熱老化的水浴箱(a)和低速沖擊實驗裝置(b)Fig. 2 Water bath box for hygrothermal aging (a) and the low-velocity impact device (b)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 吸濕老化分析

復(fù)合材料的吸濕行為一般包括水分子的滲透擴(kuò)散和樹脂基體的水解反應(yīng)兩個階段：第1 階段，由于水分子的擴(kuò)散，樣品質(zhì)量增加，吸濕逐漸達(dá)到飽和；第2 階段，吸濕達(dá)到飽和，部分樹脂發(fā)生水解反應(yīng)，造成樣品質(zhì)量減少。

吸濕量的計算公式為

式中：Wt為t時刻的吸濕量，Mt為t時刻樣品的質(zhì)量，M0為樣品的初始質(zhì)量。

用Fick 第二定律解釋復(fù)合材料的吸濕行為[21]。吸水率取決于水的濃度梯度和擴(kuò)散系數(shù)。由于復(fù)合材料的厚度遠(yuǎn)小于其長度和寬度，因此吸濕比為

通過式(1)～式(4)計算得到復(fù)合材料面板在不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)D和吸濕量Wt，老化30 d 的計算值即平衡吸濕量如表1 所示。復(fù)合材料夾芯板的吸濕量隨時間變化曲線如圖3 所示。可以看出，亞麻纖維夾芯結(jié)構(gòu)的吸濕量隨老化時間先快速增加后緩慢增加，直至達(dá)到飽和。在25 和40 ℃下，老化25 d 左右吸濕量達(dá)到飽和。室溫下，由于水解反應(yīng)較少，亞麻纖維夾芯結(jié)構(gòu)沒有損壞，老化影響較小，此時樣品的吸濕行為主要表現(xiàn)為水分子通過原始缺陷的滲透和擴(kuò)散。與之對比，55 ℃的吸濕量飽和時間為15 d，70 ℃的吸濕量飽和時間僅為5 d，表明溫度能夠加速亞麻纖維夾芯結(jié)構(gòu)的吸濕過程。

表1 不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)和平衡含水量Table 1 Diffusion coefficient and equilibrium water content at different temperatures

圖3 不同老化溫度下樣品的吸濕量隨時間變化曲線Fig. 3 Curves of moisture absorption of samples versus aging time at different temperatures

2.2 濕熱老化對亞麻纖維夾芯結(jié)構(gòu)抗沖擊性的影響

2.2.1 不同老化條件下的損傷形貌

低速沖擊實驗后，用相機記錄樣品正面和背面的損傷形貌。夾芯板受沖擊后，正面均有錘頭造成的圓形凹坑。為了對比濕熱老化對夾芯板低速沖擊性能的影響，選取受12 J 低速沖擊后亞麻纖維夾芯板的背面和橫截面損傷形貌，如圖4 所示。可以看出，隨著濕熱老化天數(shù)和溫度的增加，樣品的損傷程度逐漸加重。在25、40 和55 ℃濕熱老化10 d 后，沖擊對樣品背面造成的凸痕很小，隨著老化天數(shù)的增加，背面的凸起逐漸明顯，沖擊造成的凹坑深度逐漸加深，更多的纖維脆斷。在25、40 和55 ℃老化30 d后，夾芯板的沖擊損傷均最嚴(yán)重，55 ℃老化30 d 時夾芯板背面發(fā)生更多開裂。在70 ℃的濕熱老化條件下，老化10 和20 d 時樣品背面出現(xiàn)花苞狀凸起和十字形裂縫，而老化30 d 時樣品被完全貫穿，背面面板形成圓形損傷，損傷區(qū)域與面板完全分離。

圖4 經(jīng)歷不同老化溫度和時間的樣品在受12 J 沖擊能量后背面和橫截面的損傷形態(tài)Fig. 4 Damage morphology of samples aging with different time and temperatures at rear and cross-section side under impact energy of 12 J

2.2.2 濕熱老化溫度和老化時間對沖擊性能的影響

圖5 給出了夾芯板在12 J 沖擊能量下的接觸力、位移和能量吸收的典型曲線。

圖5 在12 J 沖擊能量下不同濕熱老化樣品的沖擊接觸力時程曲線Fig. 5 History of contacted force of samples with different condition of hygrothermal aging under impact energy of 12 J

在25 ℃老化10 和20 d 時樣品的接觸力時程曲線有2 個峰值，說明濕熱老化后夾層板正面被穿透。此時，接觸力時程曲線可分為兩部分，與觀測到的夾層板損傷形態(tài)一致。在沖擊過程中，錘頭先穿透上面板，接觸力達(dá)到首個峰值力。之后，錘頭與上面板的接觸力減小，但與泡沫芯之間的接觸面增大，其為主要接觸力，因此出現(xiàn)第2 個接觸力峰值。低速沖擊下經(jīng)歷30 d 老化的樣品的接觸力時程曲線在達(dá)到峰值后呈階梯狀遞減，根據(jù)沖擊后樣品的損傷情況，如圖4 所示，樣品上層面板出現(xiàn)錘頭形凹坑以及局部纖維斷裂和泡沫芯破碎，說明老化天數(shù)對中間泡沫夾芯層的影響顯著，夾芯板整體更脆，導(dǎo)致其抗沖擊能力急劇下降。老化溫度為40 和55 ℃時，樣品受低速沖擊的接觸力時程曲線均有2 個峰值，在達(dá)到首個峰值后，經(jīng)歷平緩下降階段，然后再急劇下降到波谷。該過程分為3 個階段：首先，當(dāng)錘頭位移為5 mm 時，接觸力達(dá)到首個峰值，此時夾層板的上表面基本被穿透；然后，錘頭和上面板的接觸力減小，與泡沫芯的接觸力增大，錘頭位移在5～14 mm 區(qū)間，接觸力呈現(xiàn)階梯式下降，此時泡沫夾芯參與錘頭動能吸收；最后，錘頭與下面板接觸，并對其造成沖擊破壞，觀察沖擊后背面的損傷情況可以看到，樣品出現(xiàn)基體開裂和局部纖維斷裂。70 ℃老化樣品的接觸力時程曲線與40 和55 ℃時的基本一致，只是各階段的位移均有所減小，說明高溫能夠加速夾芯板的老化，并削弱其抗沖擊能力。

表2 列出了受12 J 低速沖擊時濕熱老化樣品的峰值力和能量吸收情況。在沖擊過程中，能量由錘頭傳遞給夾芯板，一部分能量通過夾芯板的彈性變形吸收，剩余動能通過夾芯結(jié)構(gòu)的破壞吸收，當(dāng)錘頭停止時，錘頭的動能被完全吸收。當(dāng)老化溫度從25 ℃升高到55 ℃時，濕熱老化后夾芯板的峰值力和吸收能量減小。當(dāng)老化溫度為70 ℃時，夾芯板的峰值力和吸收能量急劇下降，與25 ℃老化樣品相比，老化10、20、30 d 后樣品的峰值力分別下降46.0%、43.8%、51.6%，吸收能量分別下降46.1%、54.8%、56.7%。

表2 在12 J 的沖擊能量、不同的濕熱老化條件下樣品受低速沖擊時的峰值力和吸收的能量Table 2 Peak force and absorbed energy of samples under different condition of hygrothermal aging in low-velocity impact experiment at the impact energy of 12 J

2.3 沖擊能量對濕熱老化的影響

2.3.1 不同沖擊能量下的損傷形貌

圖6 對比了在4 種不同水浴溫度下老化20 d 后樣品受3 種低速沖擊能量后的背面損傷形貌和橫截面損傷形態(tài)。可以看出，25 ℃下，樣品背面的損傷范圍較小，夾芯板樣品正面均被穿透，凹坑深度隨著沖擊能量的增大而加深。當(dāng)老化溫度為40 和55 ℃時，樣品受不同能量沖擊后，背面均出現(xiàn)隨著沖擊能量增大而增高的局部凸起。此時，觀察到基體損傷和纖維斷裂，上面板均被擊穿，同時可見清晰的沖擊器凹痕和空腔，泡沫夾芯層出現(xiàn)斜向下的裂紋。老化溫度為70 ℃時，樣品背面出現(xiàn)花苞狀凸起和十字裂縫，其范圍隨沖擊能量的增大而增大，此時夾芯板的正面被穿透，在穿透泡沫夾芯之后，由于下面板沒有泡沫夾芯的支撐，因此出現(xiàn)較大面積的基體開裂和纖維斷裂，并形成明顯的層間脫粘區(qū)域。

圖6 老化20 d 后不同老化溫度和沖擊能量下樣品背面和橫截面的損傷形態(tài)Fig. 6 Damage morphology of samples aging for 20 d at different temperatures at rear and cross-section side under different impact energies

2.3.2 不同能量下的沖擊曲線

對于不同溫度下老化20 d 的夾芯板，以不同能量沖擊時其位移、接觸力、吸收能量的典型曲線如圖7 所示。在25 ℃的老化溫度下，3 種沖擊能量下的接觸力時程曲線均有2 個較平緩的峰，其中在錘頭穿透上層面板的過程中出現(xiàn)首個峰值力，隨后錘頭與泡沫芯接觸，此時下層面板支撐泡沫芯，形成第2 個峰值力。當(dāng)老化溫度為40 和55 ℃時，所有低速沖擊過程的接觸力時程曲線變化趨勢基本相同：當(dāng)沖擊能量為8 J 時，下層面板未損傷；當(dāng)沖擊能量提高到10 和12 J 時，接觸力時程曲線出現(xiàn)2 個峰值，且有一段平緩區(qū)域，造成下層面板損傷。當(dāng)老化溫度為70 ℃時，接觸力時程曲線均有2 個峰值，并且出現(xiàn)較早，說明此時樣品的韌性較差。通過沖擊后的力學(xué)曲線可以看出：隨著沖擊能量的提升，老化后面板的接觸力減小，接觸峰值力減小；隨著老化溫度的升高，最大位移和永久變形均增大。這是因為水分子擴(kuò)散和基質(zhì)水解反應(yīng)加劇，產(chǎn)生的缺陷更多，泡沫芯夾層板的抗沖擊性明顯退化。樹脂在濕熱老化環(huán)境中變脆，損傷特征表現(xiàn)為更明顯的脆斷特征。另外，隨著老化溫度的升高和沖擊能量的增大，樣品吸收的能量逐漸降低；當(dāng)老化溫度為70 ℃時，樣品吸收的能量最少，且3 個沖擊能量下吸收的能量一致。這說明經(jīng)過高溫老化后，樣品的沖擊性能下降，當(dāng)老化溫度為70 ℃時，沖擊性能的下降幅度最大。

圖7 樣品在不同濕熱溫度下老化20 d 后受不同沖擊能量沖擊時的接觸力曲線Fig. 7 Contact force curves of samples aging for 20 d with different hygrothermal temperatures under different impact energies

不同濕熱溫度下老化20 d 后錘頭的最大位移匯總于表3。當(dāng)沖擊能量較低時，曲線是閉合的，表明錘頭發(fā)生回彈。增大沖擊能量后，曲線發(fā)生波動，說明此時結(jié)構(gòu)整體變形超過彈性階段并發(fā)生永久變形。從表3 可以看出：隨著沖擊能量增大，錘頭的最大位移不斷增大；老化溫度為25 和40 ℃時，沖擊位移隨著老化溫度和沖擊能量的增大而增加，而老化溫度為55 和70 ℃時，錘頭的最大位移均超過夾芯板厚度。因此，濕熱老化對泡沫夾芯板的沖擊性能產(chǎn)生了負(fù)面影響，更高的老化溫度會導(dǎo)致樣品彎曲能力減弱。

表3 樣品在不同濕熱溫度條件下老化20 d 后受低速沖擊時錘頭的最大位移Table 3 Maximum displacement of impactor in the low-velocity impact experiment of samples aging for 20 d at different hygrothermal temperatures

3 結(jié) 論

研究了3 種不同沖擊能量和4 種不同老化溫度對泡沫夾芯板的吸濕特性和抗沖擊性能的影響，得到以下結(jié)論。

(1) 從不同老化溫度的飽和吸濕平衡時間可以看出，隨著老化溫度的升高，樣品的水分平衡時間逐漸縮短，表明溫度可以加速亞麻纖維夾芯的吸濕速率。

(2) 在12 J 的沖擊能量下，隨著老化溫度的升高和老化天數(shù)的增加，樣品的抗沖擊能力逐漸減弱；當(dāng)老化溫度從25 ℃升高到70 ℃時，老化10、20、30 d 后，低速沖擊時峰值力分別下降46.0%、43.8%、51.6%，吸收能量分別下降46.1%、54.8%、56.7%。

(3) 老化20 d 時，隨著老化溫度和沖擊能量的升高，泡沫夾芯板在低速沖擊下的損傷程度增加。當(dāng)老化溫度為25 和40 ℃、沖擊能量較低時，亞麻纖維增強泡沫夾芯板下層面板未形成明顯的損傷。隨著老化溫度的升高，水分子擴(kuò)散和基質(zhì)水解反應(yīng)加劇，產(chǎn)生的缺陷更多，泡沫夾芯板的抗沖擊性能明顯退化。樹脂在濕熱老化環(huán)境中變脆，損傷特征表現(xiàn)為更明顯的脆斷特征。