芳纶纤维增强复合材料在七地区库内暴露的寿命预测研究

刘亚平，王荣华，王登霞，孙岩，李倩倩，李晖

（中国兵器工业集团第53研究所，济南 250031）



芳纶纤维增强复合材料在七地区库内暴露的寿命预测研究

刘亚平，王荣华，王登霞，孙岩，李倩倩，李晖

（中国兵器工业集团第53研究所，济南 250031）

目的 预估不同地区芳纶纤维增强复合材料环境贮存寿命，及120℃热老化对七个地区的加速因子。方法 对芳纶纤维增强复合材料（AFRC）在7个地区的自然库内暴露样品进行研究，考察了其弯曲强度性能变化规律，对AFRC的库内贮存寿命进行一元线性回归分析。结果 得到了七个地区的线性回归方程，计算出其弯曲性能降到50%时的贮存寿命，得到了120℃热老化对七个地区的加速因子。结论 以50%弯曲强度性能失效为例，自然库内暴露下芳纶纤维增强复合材料寿命依次为拉萨＞敦煌＞厦门＞西双版纳＞万宁＞济南＞漠河，加速因子大小顺序为漠河＞济南＞万宁＞厦门＞西双版纳＞敦煌＞拉萨。

芳纶纤维增强复合材料；库内暴露；弯曲强度；寿命；加速因子

目前，芳纶纤维增强复合材料（AFRC）由于具有高强度、高模量、耐酸碱、耐大多数有机溶剂腐蚀等优异性能，已在多个方面得到应用。然而AFRC在实际使用时要受到许多环境因素的影响，发生降解、裂化，尤其是在实际的贮存过程中，受到热的影响最大。如何预测AFRC的贮存寿命，成为新时期芳纶研究的重点。

笔者通过对芳纶纤维增强复合材料在不同地区的自然库内暴露试验和实验室热空气老化的数据进行统计分析，建立材料性能和老化时间的线性回归方程，通过方程对芳纶纤维增强复合材料的贮存寿命进行预测，研究自然库内贮存寿命与热空气老化寿命之间的加速因子。

1　实验

实验材料为自制AFRC，Kevlar芳纶纤维，环氧改性溴化乙烯基酯树脂。弯曲强度按GB/T 1447 —2005测试，样品尺寸为60 mm×15 mm×3.2 mm，每批样品数为5根。选取库内暴露的样品进行寿命预测研究。

库内暴露试验中，选取西双版纳、万宁、拉萨、漠河、济南、厦门、敦煌等7个地区的试验样品进行研究。库内暴露试验取样周期为：1，2，3，4，5，6，7，8年。120℃热老化取样周期为：250，500，750，1000，1250，1500，1750，2000 h。自然老化试验按WJ 2156—1993《兵器产品自然环境试验方法贮存试验》进行，样品裸放于各个试验站的贮存库内。7个试验地区的气候基本情况见表1。

表1　7个试验地区气候基本情况Table 1　Basic climate information of seven typical climate regions

2　结果与讨论

对AFRC采用回归分析的方法来预测材料的寿命。根据试验结果，分析AFRC弯曲强度性能的试验数据，发现符合一元线性回归方程，设线性模型方程为：y=a+bx。具体方法是以某一地区的弯曲强度试验数据为例，进行一元线性回归方程分析计算，得到回归方程后，从而进行贮存寿命预测研究。

2.1AFRC弯曲强度保留率

AFRC在7个地区库内暴露试验中和120℃热老化得到的弯曲强度保留率如图1所示。

图2　APRC120℃弯曲强度保留率变化Fig.2 Bending strength retention of APRC at 120℃

2.2AFRC线性回归方程的计算

以AFRC在西双版纳地区库内暴露线性回归方程的计算和T检验为例进行说明。

这里n=9，为求线性回归方程，对所需要的计算列于表2。

表2　相关数据计算结果Table 2 Calculate result of the data

由表2可得：

可以求得：

因此，回归直线方程为y=97.69-3.53x。

下面用T检验法检验上面得到的回归效果是否显著。

查t分布表，得：n=9，α/2=0.05，t0.05（7）=1.8946＜17.48，说明回归效果很显著。

弯曲强度保留率到50%时，所需要的时间为：x=13.51 a。

同样的方法得到其他6个地区的线性回归方程，见表3。

表3　七地区及120℃热老化线性回归方程Table 3　Regression equation of the seven regions and 120℃

2.3AFRC寿命预测

通过表3，计算得到AFRC在西双版纳，漠河，济南，厦门，万宁，拉萨，敦煌等7个地区的库内暴露试验和120℃热老化试验中，弯曲保留率下降到50%时，所要的实际时间分别为13.51，15.93，15.50，13.43，14.14，12.81，13.07，1.09年。

由此可知，AFRC库内暴露失效最快的是拉萨地区，失效最慢的是漠河地区，失效快慢顺序依次为：拉萨＞敦煌＞厦门＞西双版纳＞万宁＞济南＞漠河。这主要是由于库内暴露样品受温度的影响最大，温度越高相对失效越快，反之越慢；温度相差不大的情况下，还会受大湿度的影响。

2.4AFRC自然老化与热老化加速因子的确定

通过各地区库内暴露试验中AFRC弯曲保留率下降到50%时所需的实际时间，可以计算120℃热空气老化2000 h对西双版纳，漠河，济南，厦门，万宁，拉萨，敦煌等7个自然老化库内贮存地区的加速因子分别为12.4，14.6，14.2，12.3，13.0，11.8，12.0。

可以看出，各地库内贮存的加速因子大小顺序为：漠河＞济南＞万宁＞厦门＞西双版纳＞敦煌＞拉萨。加速因子均大于12，说明120℃热空气1 h老化相当于库内贮存12 h多，可以为相关的复合材料样品贮存提供数据支持。

3　结论

1）弯曲强度性能是芳纶纤维增强复合材料在老化过程中性能变化最为敏感的性能指标。

2）在对自然库内暴露下芳纶纤维增强复合材料弯曲强度性能寿命预测中，贮存寿命和当地的气候条件密切相关，失效快慢顺序依次为：拉萨＞敦煌＞厦门＞西双版纳＞万宁＞济南＞漠河。以50%弯曲强度性能失效为例，拉萨库内需要12.81年，而处于高寒地区的漠河则需要15.93年，其他5个地区介于二者之间。

3）芳纶纤维增强复合材料库内贮存过程中弯曲强度与老化时间符合一元线性回归方程，在90%的置信区间内回归效果显著。

4）芳纶纤维增强复合材料七地库内贮存的加速因子大小顺序为：漠河＞济南＞万宁＞厦门＞西双版纳＞敦煌＞拉萨，加速因子均大于12。

［1］张留成.高分子材料导论［M］.北京：化学工业出版社，1993：18—19.

ZHANG Liu-cheng.Introduction to Polymer Materials ［M］.Beijing：Chemical Industry Press，1993：18—19.

［2］张德庆.高分子材料科学导论［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999：33—35.

ZHANGDe-qing.PolymerMaterialsScience Introduction［M］.Harbin：Harbin Institute of Technology Press，1999：33—35.

［3］RAY B C.Temperature Effect during Humid Ageing on Interfaces of Glass and Carbon Fibers Reinforced Epoxy Composites［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2006，298（1）：111—117.

［4］谭晓倩，史鸣军.高分子材料的老化性能研究［J］.山西建筑，2006，32（1）：179—180.

TAN Xiao-qian，SHI Ming-jun.Aging Research of Polymer Materials［J］.Shanxi Architecture，2006，32（1）：179—180.

［5］殷宗莲，杨万均，肖敏，等.高低温条件下碳纤维增强尼龙复合材料的老化特征分析［J］.装备环境工程，2015，12（3）：106—110.

YIN Zong-lian，YANG Wang-jun，XIAO Min，et al. AgingCharacteristicsAnalysesofCarbonFiber ReinforcedNylonCompositesinHighandLow TemperatureConditions［J］.EquipmentEnvironmental Engineering，2015，12（3）：106—110.

［6］温变英，李迎春，张学东.尼龙/碳纤维复合材料的研究进展［J］.新型碳材料，1997，12（3）：17—21.

WEN Bian-ying，LI Ying-chun，ZHANG Xue-dong. Research Advancement of The Carbon Fibers Reinforced Nylon［J］.New Carbon Materials，1997，12（3）：17—21.

［7］张淑芳，冀克俭，张银生.几种复合材料的断裂行为研究［J］.工程塑料应用，1996，24（1）：38—41.

ZHANG Shu-fang，Ji Ke-jian，ZHANG Ying-sheng. StudyonTheMicro-fractureBehaviorofSeveral Composites［J］.Engineering Plastics Application，1997，12（3）：17—21.

［8］王荣华，王小燕，李晖，等.玻纤增强尼龙66人工加速光老化性能的研究［J］.化工新型材料，2015，43（4）：129—131.

WANG Rong-hua，WANG Xiao-yang，LI Hui，et al.Study on the Property of Glass Fiber Reinforced Nylon 66 Composite in Accelerated Photo-aging［J］.New Chemical Materials，2015，43（4）：129—131.

［9］KUMAR B G，SINGH R P，NAKAMURA T.Degration ofCarbonFiber-reinforcedEpoxyCompositesby Ultraviolet Radiation and Condensation［J］.Journal of Composites Materials，2002，36（24）：2713—2733.

［10］ LEE B L.Effects of Moisture and Thermal Cycling on In-plane Shear Properties of Graphite Fibre-reinforced Cyanate Ester Resin Composites［J］.Composites Part A：AppliedScienceandManufacturing，1996，27（11）：1015—1022.

［11］ SHIVA E，FATHOLLAH T B，FARID T.Long-Term HygrothermalResponseofPerforatedGFRP Plates with/without Application of Constant External Loading［J］. Polymer Composites，2012，33（4）：467—475.

［12］ ABDEL-MAGID B，ZIAEE S，GASS K，et al.The Combined Effects of Load，Moisture and Temperature on thePropertiesofE-glass/EpoxyComposites［J］. Composite Structures，2005，71（3/4）：320—326.

［13］ NETRAVALI A N，FORNES R E，GILBERT R D.Effects ofWaterSorptionatDifferentTemperatureson Permanent Changes in an Epoxy［J］.Joural of Applied Polymer Science，1985，30（4）：1573—1578.

［14］ GOERTZEN W K，KESSLER M R.Dynamic Mechanical Analysis of Carbon/Epoxy Composites for Structural Pipeline Repair［J］.Composites Part B：engineering，2007，38（1）：1—9.

［15］ NISHAR H，SREEKUMAR P A，BEJOY F.Morphology，Dynamic Mechanical and Thermal Studies on Poly （Styrene-co-Acrylonitrile）Modified Epoxy Resin/Glass Fibre Composites［J］.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2007，38（12）：2422—2432.

Prediction of Storage Life of Aramid Fiber Resin Composites Exposed in Storerooms of Seven Areas

LIU Ya-ping，WANG Rong-hua，WANG Deng-xia，SUN Yan，LI Qian-qian，LI Hui
（NORINCO GROUP 53rd Institute，Jinan 250031，China）

Objective To predict the storage life of aramid fiber resin composites in the environments of different areas and the acceleration factors of seven areas affected by 120℃thermal aging.Methods Samples of aramid fiber resin composites （AFRC）exposed in the natural environment of the storerooms in seven areas were researched.The law of changes in its bending strength was investigated.Unitary linear recursive analysis on the storage life of AFRC in the storeroom was carried out. Results The equation of linear regression in seven areas was obtained.The storage life was calculated when its bending property was reduced to 50%.The acceleration factors of seven areas affected by 120℃thermal aging was acquired.Conclusion Taking the failure of 50%bending strength as an example，the storage lives of aramid fiber resin composites exposed in natural environment of storerooms from large to small are respectively Lhasa，Dunhuang，Xiamen，Xishuangbanna，Wanning，Jinan and Mohe.The acceleration factors from large to small are respectively Mohe，Jinan，Wanning，Xiamen，Xishuangbanna，Dunhuang and Lhasa.

aramid fiber resin composites；storeroom exposure；bending strength；life prediction；acceleration factor

2016-03-03；Revised：2016-04-05

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.028

TJ04

A

1672-9242（2016）04-0176-04

2016-03-03；

2016-04-05

刘亚平（1977—），男，硕士，副研究员，主要研究领域为材料环境试验与评价技术研究。

Biography：LIU Ya-ping(1977—),Male,Master,Associate Researcher,Research focus:material environmental test and evaluation.