【摘 要】
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碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP）具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳等优点,在航空航天等领域广泛应用。由于服役环境普遍存在湿、热影响,材料易发生湿热老化,成为结构性能退化的主要形式之一。目前关于CFRP湿热老化评价多限于实验室有损方法,主流标准ASTM D5229、HB 7401-1996等均以小试样质量变化为评价指标,对结构件
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碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP）具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳等优点,在航空航天等领域广泛应用。由于服役环境普遍存在湿、热影响,材料易发生湿热老化,成为结构性能退化的主要形式之一。目前关于CFRP湿热老化评价多限于实验室有损方法,主流标准ASTM D5229、HB 7401-1996等均以小试样质量变化为评价指标,对结构件并不适用,故发展结构件湿热老化损伤的无损、准原位评价方法对于保证承载性能、评价结构完整性至关重要。超声无损检测技术以分辨率高、检测方式灵活、对人体无害等优势广泛应用于工业领域,借助声速、声衰减等指标可进一步评价材料组织、性能变化,成为湿热老化无损评价的潜在手段之一。T800/X850复合材料是我国C919客机承力结构上采用的T800级层间增韧CFRP材料,其湿热老化性能对保证大型CFRP构件长期可靠服役十分关键。本文以T800/X850复合材料为主要研究对象,以T300/AG-80复合材料作为对比,开展湿热老化组织性能表征与声学评价。通过吸湿率、微观组织、声学性能、力学性能研究,建立不同老化阶段材料微观组织、宏观性能与声学特性参数的定性、定量关系,发展CFRP结构件的湿热老化无损评价技术。主要研究内容及结论如下:1.25℃和70℃条件水浴1400 h范围内,T800/X850和T300/AG-80吸湿特性曲线均符合两阶段吸水模型,老化初期吸湿率呈线性增长,随后增长变缓并逐渐饱和,70℃吸湿率更高更快,25℃时T800/X850吸湿率大于T300/AG-80,70℃时大小相反。微观组织分析发现:T800/X850在70℃老化初、中期树脂水解析出,纤维基体结合良好,后期在富树脂层附近的纤维/树脂界面产生较多裂纹;25℃下老化程度缓慢,虽有树脂水解析出,并未发现明显裂纹;T300/AG-80老化规律相近。2.声学特性分析表明:两种材料纵波声速在老化初期有一定程度增加,之后总体呈下降、再上升后基本保持平稳的变化趋势,变化范围约为初始声速的1%,25℃对应数值要高于70℃,声衰减系数、衰减谱斜率总体变化趋势与之相反。原因在于老化初期水分子扩散进入基体使孔隙减少,树脂溶胀与纤维联结紧密,界面状态改善,材料弹性增强,随老化时间延长纤维/基体界面不断损伤,与后固化效应共同作用影响材料声学特性。3.基于超声液浸背反射法获得不同老化阶段弹性常数,发现单向板纤维方向弹性常数变化最大,与上述多向板纵波声速变化规律大体相当,其他方向弹性常数基本没有变化。不同温度范围下动态力学性能结果表明:两种材料损耗因子与损耗模量峰值基本向低温方向偏移,水的塑化作用导致玻璃化转变温度降低,材料耐热性减弱;树脂基体中的水分越多,分子间范德华力和氢键作用破坏越严重,两种材料的储能模量随着老化时间的增加都在向低温区偏移。4.三点弯曲测试表明:弯曲强度与剪切强度随老化时间增加总体呈下降趋势,以70℃、T300/AG-80下降程度最为明显,可达58%,体现为树脂、树脂/纤维界面的性能退化。断裂面显微分析和超声C扫描结果证实:T800/X850分层损伤主要集中在压头加载位置并沿层厚方向多层连续分布,T300/AG-80则从端部向内部延伸,随老化时间延长分层长度和数量均有所增加。利用粘聚区模型开展有限元分析发现T300/AG-80分层损伤结果与实验现象较为吻合,而相同条件下T800/X850因层间增韧未出现分层损伤。考虑老化导致的弹性变化,弹性常数小幅增加时分层损伤起始发生的时间相比未老化时稍有延后。
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