燃油浸潤對碳纖維增強復合材料力學性能的影響

摘 要 為研究燃油浸潤對碳纖維增強復合材料力學性能的影響，本文選取三批次T800級碳纖維增強環氧樹脂基復合材料進行了為期6個月的燃油浸潤試驗，對比了浸潤前后材料在室溫和82 ℃高溫下的0°拉伸、0°壓縮、90°拉伸、90°壓縮、面內剪切和短梁剪切的力學性能。試驗結果表明：燃油浸潤6個月后試樣吸油率仍在持續增加，沒有達到飽和。由于燃油對復合材料纖維、基體和纖維/基體界面的不同影響，燃油浸潤后復合材料0°拉伸強度略有提高，0°壓縮、90°拉伸、90°壓縮強度顯著降低，剪切強度在室溫下變化不大，而在高溫下明顯降低。

關鍵詞 碳纖維復合材料；燃油浸潤；力學性能；液體敏感性

Effect of Fuel Infiltration on Mechanical Properties of

Carbon Fiber Reinforced Composites

WU Yang， XU Fei

（National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Aircraft Strength Research

Institute of China，Xi’an 710065）

ABSTRACT In order to study the effect of fuel infiltration on the mechanical properties of carbon fiber reinforced composites， three batched of T800 carbon fiber reinforced epoxy resin matrix composites were selected for a six-month fuel infiltration test. The mechanical properties of 0° tensile， 0° compression， 90° tensile， 90° compression， in-plane shear and short beam shear before and after wetting were compared at room temperature and 82 ℃. The results showed that the oil absorption rate of the sample continued to increase after 6 months of fuel infiltration， and did not reach saturation. Due to the different effects of fuel on fiber， matrix and fiber/matrix interface， the 0° tensile strength of composites is slightly increased after fuel oil infiltration， and the 0° compress， 90° tensile， 90° compression strengths are significantly reduced. The shear strength changes little at room temperature， but significantly decreased at high temperature.

KEYWORDS carbon fiber composites; fuel infiltration; mechanical properties; liquid sensitivity

1 引言

碳纖維增強復合材料因其比強度、比模量高、結構可設計性強，抗疲勞和耐腐蝕性好等優異性能，在航空航天領域得到了廣泛應用［1］。隨著復合材料結構設計和制造水平的提升，碳纖維增強樹脂基復合材料的應用已逐漸從飛機次承力結構擴展至主承力結構上，使得飛機減重25 %～50 %，大大提高了飛機的機動性和經濟性［2］。盡管碳纖維增強復合材料具有優異的耐腐蝕性能，但在飛機服役過程中，復合材料長期接觸航空煤油、液壓油、潤滑油等化學介質，導致其材料老化和性能退化，給飛機結構帶來一定風險［3，4］。

隨著碳纖維增強樹脂基復合材料在飛機油箱、航空發動機等部位的普遍應用，化學介質對復合材料性能的影響受到普遍關注。張曉云等研究了T700/5224復合材料在15#液壓油、4010#滑油、RP-3航空煤油和AHC-1清洗劑4種飛機上常用的化學介質中的老化行為，發現介質老化對材料彎曲和剪切性能影響不大［5］；王夏涵等對比了發動機燃油、潤滑油、液壓油和溶劑對T300級樹脂基復合材料短梁強度、開孔壓縮強度和剪切性能的影響，結果表明腐蝕性流體常溫下對性能影響不大，而在280℃高溫下帶來的性能退化更為顯著［6］；淳道勇等研究了T800級碳纖維/聚酰亞胺復合材料4種液體浸泡后的典型力學性能變化，發現蒸餾水、人工海水對層間剪切性能影響較大，蒸餾水、航空燃油、人工海水對高溫開孔壓縮性能影響較大［7］。這些研究都在一定程度上推動了對復合材料液體敏感性的認識，然而受試驗成本和條件限制，多數研究仍集中在濕熱環境對復合材料性能的影響，且多針對復合材料剪切、彎曲等部分力學性能，沒有對材料力學性能進行全面的試驗研究，同時浸泡時間多在1000h以內，無法滿足油箱等長期接觸液體介質的復合材料結構的實際考核需求［8，9］。

本文以T800級碳纖維增強環氧樹脂基復合材料為研究對象，系統對比了航空燃油浸潤6個月后0°拉伸、0°壓縮、90°拉伸、90°壓縮、面內剪切和短梁強度的力學性能在室溫和82 ℃高溫下的變化，并分析了其失效模式及性能變化機理，為飛機油箱等復合材料結構設計與考核提供技術支撐。

2 試驗過程

2.1 試樣

試驗件所用材料為T800級碳纖維增強環氧樹脂基復合材料。試驗件鋪層及尺寸如表1所示。

2.2 試驗方法

試驗分為燃油浸潤試驗和力學性能測試。浸潤介質選用RP-3航油，燃油浸潤試驗開始前，將所有試件置于70 ℃烘箱中烘干24小時。取出降至室溫后記錄伴隨件初始重量。隨后將伴隨件及力學性能測試試件浸沒在燃油中，放置于23 ℃室溫環境下。每7天取出伴隨件，用濾紙擦干伴隨件表面，使用賽多利斯BSA224S分析天平在1小時內稱重記錄伴隨件重量，隨后重新浸入燃油中。燃油浸潤6個月后取出試件。所有力學性能測試在取出后14天內完成。

室溫和高溫力學性能測試分別在23 ℃±2 ℃和82 ℃±3 ℃下進行，各類型試驗依據的試驗標準如表1所示，試驗均使用INSTRON試驗機。

2.3 數據處理方法

對于0°拉伸、0°壓縮等纖維控制的力學性能，在計算強度及模量時進行正則化處理，將實際厚度修正到名義厚度，使得纖維控制的性能數據修正到一個公共纖維體積含量基礎上。

所有性能測試結果均取三批次試樣測試結果的平均值。為了便于分析比較，對每項性能以及在室溫下未浸潤試樣該性能三批測試結果的平均值為基準進行歸一化處理，計算性能保持率。

3 結果與討論

3.1 燃油浸潤試驗結果

伴隨件浸潤于燃油6個月后，不同層數伴隨件吸油率均小于0.1 %，且吸油率在持續增加，浸潤曲線斜率未出現變緩趨勢，燃油浸潤沒有達到飽和。以碳纖維增強聚合物復合材料加速吸濕曲線為參照，浸潤6個月后試樣吸油率遠小于吸濕平衡時的吸水率（0.5 %）［10］。同時對比不同鋪層試驗件，浸潤6個月后，伴隨件層數越少，其吸油率越高，如圖1所示。

3.2 力學性能測試結果

燃油浸潤前后復合材料0°拉伸及0°壓縮強度保持率如圖2所示。由圖2（a）可知，23 ℃下燃油浸潤后0°拉伸強度提高4 %，82 ℃下0°拉伸強度提高2 %。復合材料0°拉伸強度主要由纖維控制，同時受基體及界面性能影響。碳纖維主要以晶體形式存在，燃油對其性能的影響可以忽略，而樹脂基體在燃油浸潤后的溶脹松弛使得復合材料固化過程中產生的內應力得以釋放，進而更有效地傳遞載荷，0°拉伸性能得到提高［11］。由圖2（b）可知，23 ℃下燃油浸潤后0°壓縮強度降低11.2 %，82 ℃下0°壓縮強度降低7.8 %。0°壓縮強度雖然同樣受纖維控制，但基體對其影響遠大于0°拉伸性能。燃油浸潤導致樹脂基體溶脹塑化，模量下降，支撐作用變弱，使得0°壓縮性能顯著降低［12］。對于樹脂基體，加熱對聚合物分子存在于燃油浸潤類似的松弛作用，82 ℃下燃油浸潤前后性能變化程度略小于23 ℃。

燃油浸潤后，90°拉伸室溫強度降低6.7 %，高溫強度降低5.5 %。90°拉伸強度主要由基體和界面控制，燃油對于樹脂基體的溶脹和增塑作用使得基體軟化，造成90°拉伸性能的降低，如圖3（a）所示。同樣是主要由基體控制的性能，燃油浸潤后90°壓縮室溫強度降低3.3 %，高溫強度降低1.4 %，如圖3（b）所示。

對比燃油浸潤前后90°壓縮試驗過程中背對背應變的彎曲百分比可以看出，未浸潤燃油試樣壓縮加載過程中，試樣幾乎未發生彎曲，彎曲百分比穩定保持在1 %以內。接近破壞時彎曲百分比略有增加，但仍小于5 %。而燃油浸潤后樹脂軟化承載能力下降，使得壓縮過程中彎曲百分比持續增加，最終破壞時彎曲百分比已接近30 %，如圖4所示。

面內剪切強度主要反映纖維/基體界面性能。燃油浸潤后碳纖維無變化，而樹脂基體發生溶脹，使得纖維/基體界面產生剪切應力，界面性能降低。界面剪切應力的大小與試驗吸油率相關［13］。由圖1可知，浸潤6個月后試驗件吸油率較小，室溫下未對界面性能產生明顯影響，試驗剪切強度未發生變化。溫度的升高則提高了燃油的擴散速度，對界面產生了較大影響，82 ℃下剪切強度降低5.5 %，燃油浸潤前后面內剪切性能變化如圖5所示。

燃油浸潤前后短梁強度保持率如圖6（a）所示，試驗件失效模式如圖6（b）所示。室溫下未浸潤燃油試樣失效模式為層間剪切，燃油浸潤后試樣失效模式為非彈性變形，此時的短梁強度值已無法互相比較。在82 ℃下，燃油浸潤前后試驗件失效模式均為非彈性變形，短梁強度降低9.6 %。這些變化均是由于燃油的增塑作用導致的樹脂基體軟化。

燃油浸潤前后材料模量保持率如表2所示。室溫和高溫下0°拉伸及0°壓縮模量燃油浸潤前后未發生明顯變化，穩定的碳纖維在其中起到了決定性作用［13］。90°拉伸及90°壓縮模量在高溫下模量顯著下降，但燃油浸潤對其模量沒有明顯的影響。對于面內剪切模量，室溫下燃油浸潤前后剪切模量未發生明顯變化，而在82 ℃高溫下剪切模量相對室溫明顯降低，且燃油浸潤后模量進一步降低6.5 %。

4 結語

（1）常溫環境下，T800級碳纖維增強環氧樹脂基復合材料在航空燃油中浸潤6個月后試樣吸油率小于0.1 %，試驗件層數越少，吸油率越高；

（2）燃油浸潤6個月，復合材料各項力學性能表現出不同的變化趨勢：受纖維性能控制的縱向拉伸強度略有提高，與基體性能相關的縱向壓縮強度及橫向拉伸、壓縮強度顯著降低，反映界面性能的剪切強度在室溫下變化不大，而在高溫下明顯降低，燃油浸潤后，高溫下的短梁強度明顯下降，而室溫下的破壞模式完全不同；

（3）室溫和高溫下，燃油浸潤對復合材料縱向和橫向的拉伸及壓縮模量均沒有顯著影響，剪切模量在燃油浸潤后在室溫下變化不大，而在高溫下顯著降低。

參 考 文 獻

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