復(fù)合材料壽命預(yù)測方法研究

費楚然，王 偉

(中廣核高新核材科技(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215435)

復(fù)合材料作為增強材料，在實際使用過程中會發(fā)生不可避免的老化，隨著老化程度的積累，將對其本身使用性能造成影響。纖維增強樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的機械性能、抗疲勞性能優(yōu)異、高溫性能優(yōu)良和可設(shè)計性佳等優(yōu)點，但同時也有一些缺點，在服役環(huán)境下(如紫外光光輻射、溫度、濕度、鹽霧等)其性能易于惡化。在單一或多個環(huán)境因素綜合的影響下均會導(dǎo)致纖維增強樹脂基復(fù)合材料的性能發(fā)生變化[5]。在該環(huán)境因素的影響下導(dǎo)致基體、纖維或纖維/基體界面發(fā)生變化或破壞[6]。如在機械沖擊、機械振動、應(yīng)力、紫外光光輻射、溫度、濕度、酸、堿、鹽溶液和有機化合物作用下導(dǎo)致復(fù)合材料的纖維/基體界面發(fā)生變化或破壞[7]，導(dǎo)致復(fù)合材料使用壽命或者性能下降。

對于材料某個特定的性能參量，如材料強度，可能隨著使用時間的增加，性能逐漸下降，也有可能在沒有任何征兆的情況下大幅下降。環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致了材料強度老化的難以預(yù)測，給實際使用帶來了巨大的風險。

因此，研究不同環(huán)境因素對復(fù)合材料性能影響的規(guī)律和機理[8]對其可靠性的評價非常重要，也將直接影響復(fù)合材料使用壽命的判斷。

1 壽命評價方法與原理

1.1 老化終止性能指標的選擇

聚合物基復(fù)合材料在實際使用過程中，作為增強材料，一直處于持續(xù)載荷狀態(tài)，對其力學(xué)性能有著嚴格的要求。但，對于聚合物基復(fù)合材料而言，碳纖維和玻璃纖維耐老化性能遠超過高分子聚合物，因此其老化主要表現(xiàn)為高分子聚合物的老化以及基體與增強纖維之間界面的破壞，在基體與增強纖維之間的界面未破壞前，即老化尚未通過纖維通道或基體中的細微通道對纖維表面或附近的基體產(chǎn)生脫離作用，拉伸強度可能變化不大。但與聚合物性能密切相關(guān)的彎曲強度、壓縮強度以及Tg等可能較快的產(chǎn)生變化，可以比較直觀的反映出來老化作用。

1.2 半經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型

俄羅斯全俄航空材料研究院的Г.M.古尼耶夫等通過對復(fù)合材料的自然老化壽命研究，得出復(fù)合材料強度變化的半經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型[9-10]可用式(1)描述：

S=S0+η[1-exp(-λt)]-βln(1+αt)

(1)

式中:S——表示老化t小時后復(fù)合材料的剩余強度，MPa

S0——表示復(fù)合材料的初始強度，MPa

η——表示復(fù)合材料的固化程度參數(shù)

λ——表示復(fù)合材料材料和外部環(huán)境參數(shù)

t——表示老化作用時間，h

β——表示復(fù)合材料抵抗裂紋擴展的能力參數(shù)

α——表示外部環(huán)境侵的蝕性系數(shù)

通過對式(1)分析研究，發(fā)現(xiàn)只采用單一的宏觀參數(shù)α來表示環(huán)境中不同老化因素對復(fù)合材料性能的影響，不僅不能夠反映實際老化環(huán)境不同因素的變化，也不能體現(xiàn)出復(fù)合材料在實際服役環(huán)境中受各個主要老化因素的影響，使得式(1)在復(fù)合材料老化環(huán)境中的使用受到局限。

影響復(fù)合材料的老化因素有很多，如紫外線、溫度、濕度酸、堿、鹽溶液和有機化合物等。在考慮復(fù)合材料工作環(huán)境中的主要老化影響因素的條件下，提出復(fù)合材料的老化剩余壽命(強度)預(yù)測公式：

S=S1-ΣAiln[1+Bit(xi)](i=1,2,……)[9]

(2)

式中:S——復(fù)合材料老化一定時間后的剩余強度

S1=S0+ΔS

S0——復(fù)合材料的初始強度值

ΔS——復(fù)合材料后固化的增強項

xi——環(huán)境老化因素

Ai——復(fù)合材料在一定環(huán)境老化譜下的老化因素xi

Bi——復(fù)合材料對老化因素xi的抗老化能力參數(shù)

t(xi)——老化因素xi的等效當量的老化時間，表示式為：

(3)

由于式(1)和式(2)所給出的是復(fù)合材料剩余強度的均值，其曲線是中值曲線，即它的可靠度為50%[2]，也就是說復(fù)合材料老化后，其老化剩余強度有一半大于求出的值，一半小于這個值[18]，這對于工程設(shè)計及應(yīng)用的意義不是很大[11]。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要用到的是老化剩余強度的A基值(對應(yīng)于95%置信度、99%可靠度的老化剩余強度最小值[1,5])和B基值(對應(yīng)于95%置信度、90%可靠度的老化剩余強度最小值[1,5])，以及估算復(fù)合材料高置信度、高可靠度老化壽命的方法[12，17]。因此，式(1)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

SR=S’-βln(1+αt)-KR(t)σ

(4)

式中:SR——置信度為γ、可靠度為R的老化剩余強度，MPa

KR(t)——置信度為γ、可靠度為R的二維單側(cè)容限系數(shù)[19-20]

σ——老化剩余強度的標準差

2 模型參數(shù)的確定

2.1 單因子老化模型參數(shù)的確定

在預(yù)測性的建模方面經(jīng)常使用回歸分析的方法[15]，通過利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計原理，對大量單因子老化實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)處理，從而來確定單因子變量與復(fù)合材料給定的性能的相關(guān)關(guān)系，以加速老化后的強度為S值，通過擬合得到各單因子老化的模型參數(shù)。這樣求出的參數(shù)與真實值較為相近，使用此種方法不僅能夠充分利用各個時間下的老化試驗數(shù)據(jù)，而且所求得的參數(shù)相對準確。

2.2 多因子老化模型參數(shù)的確定

經(jīng)過多因子共同老化，得到老化結(jié)果，并對老化后的強度進行擬合，得到各因子影響效應(yīng)參數(shù)。

2.3 環(huán)境當量的確定

為了有效獲得實際環(huán)境條件與加速老化條件的有效轉(zhuǎn)換，必須獲得有效的環(huán)境當量[13]計算公式。因此，需要進行不同各個單因子老化不同加速老化條件下的加速老化試驗，并以最優(yōu)的失效性能[14]得到不用條件下的曲線模型。比較分析不同條件下的曲線模型，得到環(huán)境當量的換算公式。

考慮到加速老化與環(huán)境老化的關(guān)系，引入環(huán)境當量K1、K2、K3，分別為:

(6)

(7)

(8)

式中:K1、K2、K3——高溫、濕熱、鹽霧老化環(huán)境當量

t1、t2、t3、t4、t5、t6——加熱高溫老化、環(huán)境溫度下、高溫濕熱、環(huán)境濕熱、紫外加速老化、環(huán)境紫外老化時間

T1、T2、T3、T4——加熱高溫老化、環(huán)境溫度下、高溫濕熱、環(huán)境濕熱溫度

φ3、φ4——高溫濕熱、環(huán)境濕熱濕度

U5、U6——外加速老化、環(huán)境鹽霧濃度

C1、C2、C3——高溫、濕熱、鹽霧老化試驗系數(shù)

根據(jù)試驗，得到環(huán)境當量中高溫、濕熱、鹽霧老化試驗系數(shù)。

2.4 實際使用壽命的預(yù)估

對于原始未經(jīng)使用的復(fù)合材料，我們可以通過測定其強度S0，以70%S0為失效點S(或測定Tg，以長期使用溫度+15 ℃作為失效點)，并預(yù)估其實際使用中的溫度、濕度、鹽霧濃度等往年同期總量，代入式(5)來預(yù)測其使用壽命。

而對于已經(jīng)使用過一段時間(t)的復(fù)合材料，想要估算其剩余壽命，可以采取相似的方法：如前所述，取S1=S0+ΔS，S0為初始強度值，ΔS為材料后固化增強項[16]，二者均為定值，其中S0可以取原始復(fù)合材料直接測出，根據(jù)擬合得到的S1值，我們可以計算得到ΔS，此時可以上式略加改動，改變初始條件，即變?yōu)镾2=St+ΔS，其中，St通過實際測試得到，同樣取70%S0為失效點，代入式(8)即可預(yù)測該復(fù)合材料的剩余使用壽命。

3 實驗研究方案

在試驗中，應(yīng)該選擇一個合理的失效性能作為檢測手段，因此，首先應(yīng)分別進行高溫、濕熱、鹽霧等的單因子老化試驗，并對不同時間的樣品進行抗拉強度、彎曲強度、Tg、壓縮強度等性能的檢測，觀察各種性能的變化趨勢，選擇最優(yōu)的失效性能進行研究。同時，根據(jù)最優(yōu)的失效性能，通過擬合得到單因子老化的曲線模型。加速老化無需達到最終的70%的失效點，只需得到一個有效的曲線模型。單因子老化相對多因子老化試驗增加紫外光老化，觀察其老化情況。

3.1 高溫老化試驗

高溫老化試驗，采用高溫試驗箱進行，分為三個不同的溫度進行，分別為120 ℃、160 ℃和200 ℃。樣品為同一批次同一工藝條件下的復(fù)合材料，每組復(fù)合材料樣品，老化試樣取樣間隔500 h，預(yù)計最長老化時間5000 h。

3.1.1 高溫老化實驗試樣的測試

由于復(fù)合材料在實際運行當中，處于受力狀態(tài)，因此，首先考慮復(fù)合材料的抗拉強度指標。其次，復(fù)合材料在使用當中，由于使用環(huán)境溫度的的影響，為保證復(fù)合材料的安全運行，復(fù)合材料的Tg不能太低，因此需要對復(fù)合材料的Tg進行測試。另為更好的反映復(fù)合材料的老化變化，補充測試復(fù)合材料的彎曲強度和壓縮強度。

(1)抗拉強度

根據(jù)ISO 527-5:2009 《塑料·拉伸性能的測定.第5部分:單向纖維增強塑料復(fù)合物的試驗條件》中拉伸強度的測試規(guī)定，采用(2.0±0.2) mm/min測試速度進行測試。

(2)Tg

按ISO 11357-2:2020《塑料·差示掃描量熱法(DSC).第2部分:玻璃轉(zhuǎn)變溫度和斷差膜厚的測定》中玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測試的規(guī)定，采用半高法方法進行測試，測試條件20 K/min。

(3)彎曲強度

按照ISO 14125:1998《纖維加強的塑料復(fù)合物彎曲性能的測定》的規(guī)定，采用四點彎的方法進行測試。

(4)壓縮強度

按照ISO 14126:1999 《纖維增強塑料復(fù)合材料平面方向壓縮性的測定》中平面方向壓縮性測試的規(guī)定，采用(1.0±0.2)mm/min測試速度進行測試。

3.1.2 高溫老化實驗數(shù)據(jù)的處理

每一組的高溫老化實驗的測試數(shù)據(jù)根據(jù)等式S=S1-βln(1+αt)進行百分回歸擬合，得到相關(guān)的S1、α、β。預(yù)計得到相關(guān)模型在6個以上。后分析不同實驗條件下的模型，得到運行環(huán)境下的模型。后根據(jù)運行環(huán)境下的模型得到在單獨高溫老化下復(fù)合材料的使用壽命。

3.2 濕熱老化試驗

濕熱老化試驗，采用濕熱試驗箱進行，分為三個不同的條件進行40 ℃+90%濕度、60 ℃+90%濕度、80 ℃+90%濕度。樣品為同一批次同一工藝條件下的復(fù)合材料樣品，每組試樣，老化試樣取樣間隔500 h，預(yù)計最長老化時間5000 h[8]。

3.2.1 濕熱老化實驗試樣的測試

濕熱老化實驗試樣的測試，同3.1.1高溫老化試樣的測試，分別測試抗拉強度、Tg、彎曲強度、壓縮強度。

3.2.2 濕熱老化實驗數(shù)據(jù)的處理

每一組的濕熱老化實驗的測試數(shù)據(jù)根據(jù)等式S=S1-βln(1+αt)進行百分回歸擬合，得到相關(guān)的S1、α、β。預(yù)計得到相關(guān)模型在6個以上。后分析不同實驗條件下的模型，得到運行環(huán)境下的模型。后根據(jù)運行環(huán)境下的模型得到在單獨濕熱老化下，復(fù)合材料的使用壽命。

3.3 鹽霧老化試驗

鹽霧老化試驗，采用鹽霧試驗箱進行，只進行一個條件下的老化實驗，即ISO 4611:2010。樣品為同一批次同一工藝條件下的復(fù)合材料，每組樣品，老化試樣取樣間隔500 h，預(yù)計最長老化時間5000 h。

3.3.1 鹽霧老化實驗試樣的測試

鹽霧老化實驗試樣的測試，同3.1.1高溫老化試樣的測試，分別測試抗拉強度、Tg、彎曲強度、壓縮強度。

3.3.2 鹽霧老化實驗數(shù)據(jù)的處理

每一組的高溫老化實驗的測試數(shù)據(jù)根據(jù)等式S=S1-βln(1+αt)進行百分回歸擬合，得到相關(guān)的S1、α、β，并以失效點進行計算，得到在實驗條件下，復(fù)合材料的使用壽命。

4 結(jié) 論

使用本文提出的復(fù)合材料老化實驗方案，進行老化模型參數(shù)確定，建立老化壽命預(yù)測模型，能夠比較全面的評估環(huán)境中不同老化因素(如光照、溫度、濕度、鹽霧等)對復(fù)合材料性能的影響，該方法不僅能夠比較全面的評估環(huán)境中不同老化因素對材料性能的影響，還能充分考慮了主要因素對材料實際使用壽命的影響。

使用本文提出的復(fù)合材料壽命預(yù)測模型方案，充分考慮了材料在實際環(huán)境中的單因子和多因子耦合情況下對材料壽命和性能的影響，對在自然環(huán)境中材料壽命預(yù)測和剩余性能預(yù)估的研究方面有很強的參考性。