湿热老化对PBO/T700层间混杂复合材料力学性能的影响*

张承双，沈 明，崔 霞，王 健

(西安航天复合材料研究所，陕西西安 710025)



试验与研究

湿热老化对PBO/T700层间混杂复合材料力学性能的影响*

张承双，沈 明，崔 霞，王 健

(西安航天复合材料研究所，陕西西安 710025)

分别利用材料万能试验机和DMA研究了湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料静态力学性能和动态力学性能的影响。结果表明，在湿热环境下加速老化不同时间后，PBO/T700层间混杂复合材料的拉伸强度和模量、弯曲强度和模量并未发生明显变化；压缩强度和层间剪切强度均出现了一定程度的下降，最大降幅分别为14.4%和9.5%；湿热老化使得PBO/T700层间混杂复合材料的耐热性有所提高，当老化时间为30d时，混杂复合材料的Tg从127.6℃升高到136.3℃，随着老化时间进一步延长，混杂复合材料的Tg降低，E′和E″向低温方向移动，表明混杂复合材料的耐热性又开始下降。

PBO纤维，T700碳纤维，混杂复合材料，力学性能，湿热老化

PBO纤维被誉为21世纪的超级纤维，它不仅具有优异的力学性能和耐热性能，同时具有良好的抗冲击性能和透波性能，可以用作结构材料、耐热材料、阻尼材料和隐身材料等，在航天、航空、宇航和兵器装备等尖端技术领域具有广阔的推广应用前景[1-4]。然而，已有的研究表明，PBO纤维复合材料可能存在压缩性能偏低和老化性能较差等问题，这在一定程度上限制了PBO纤维的工业应用范围[5-8]。

本项目组选择T700碳纤维作为混杂组分，采用干法缠绕成型工艺制备了PBO纤维与T700碳纤维层间混杂复合材料，以期提高PBO纤维复合材料的抗压缩性能，并改善其耐老化性能，结果表明，PBO/T700层间混杂复合材料的轴压承载性能远高于PBO纤维复合材料[9-10]。在改善PBO纤维复合材料的老化性能方面，本文通过人工加速老化试验方法研究了湿热老化对PBO/T700层间混杂复合材料力学性能的影响，利用材料万能试验机研究了PBO/T700层间混杂复合材料拉伸、弯曲、压缩和剪切等静态力学性能随湿热老化时间的变化情况，采用DMA对湿热老化不同时间后PBO/T700层间混杂复合材料的动态力学性能进行了分析。

1 实验部分

1.1 原材料

PBO纤维：Zylon-HM，由日本东洋纺公司提供。碳纤维：T700-12K，由日本东丽公司提供。树脂体系：GF-2环氧，本项目组自主开发，树脂基体由中国蓝星化工新材料有限公司无锡树脂厂提供。原材料主要性能见表1。

表1 原材料主要性能

1.2 试样制备

采用干法缠绕成型工艺制备PBO/T700层间混杂复合材料，纤维体积含量为60%±2%，混杂比为0.2(本文所定义的混杂比为PBO纤维与T700碳纤维混杂复合材料中T700碳纤维的体积分数)。分别制备PBO纤维预浸料和T700碳纤维预浸料，根据设计的铺层参数将两种预浸料分别缠绕到金属芯模上，经固化、脱模后得到混杂复合材料单向板，利用水切割设备将混杂复合材单向板加工成一定规格的试样。

1.3 湿热老化试验

分别将PBO/T700层间混杂复合材料拉伸、弯曲、压缩、剪切和动态力学性能测试试样放置于湿热老化试验箱中，在温度为(60±2)℃、湿度为(93±3)%条件下分别放置1d、7d、30d和90d，将放置不同时间后的试样取出进行力学性能测试。

1.4 性能测试与表征

分别根据GB/T 3354-2014、GB/T 3356-2014、GB/T 3856-2005、JC/T 773-2010标准，利用INSTRON 5500R型材料万能试验机对湿热老化不同时间后PBO/T700层间混杂复合材料的拉伸、弯曲、压缩和剪切性能进行测试，试样尺寸分别为230mm×15mm×2mm、100mm×12.5mm×2mm、140mm×6mm×2mm和20mm×6mm×2mm，加载速度为2mm/min。

采用DMA 242 C型动态热机械分析仪(DMA)对湿热老化不同时间后PBO/T700层间混杂复合材料的动态力学性能进行分析，试样尺寸为35mm×10mm×2mm，氮气气氛，频率1.0Hz，升温速率3℃/min。

2 结果与讨论

2.1 拉伸性能

湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料拉伸强度和拉伸模量的影响见图1。由图可见，PBO/T700层间混杂复合材料的拉伸强度为2040MPa，经湿热老化1d、7d、30d和90d后，拉伸强度分别为2050MPa、2080MPa、2105MPa和2050MPa。可见，混杂复合材料的拉伸强度在湿热环境下加速老化不同时间后并未发生明显变化。PBO/T700层间混杂复合材料的拉伸模量为126GPa，经湿热老化90d后，拉伸模量变为123GPa。可见，人工加速湿热老化对PBO/T700层间混杂复合材料的拉伸模量影响较小。对比PBO纤维在湿热环境下加速老化后出现的拉伸性能大幅下降现象[11]，上述结果表明，如果将PBO纤维与碳纤维复合制备成层间混杂复合材料，可能会有效地缓解PBO纤维拉伸性能在湿热环境中的退化问题。

图1 湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料拉伸强度和模量的影响

2.2 弯曲性能

湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响见图2。由图可见，PBO/T700层间混杂复合材料的弯曲强度为1090MPa，经湿热老化1d、7d、30d和90d后，弯曲强度分别变为1180MPa、1130MPa、1180MPa和1045MPa。可见，混杂复合材料的弯曲强度在湿热老化不同时间后并未发生明显下降。PBO/T700层间混杂复合材料的弯曲模量为116GPa，经湿热老化1d、7d、30d和90d后，弯曲模量分别变为105GPa、102GPa、102GPa和119GPa。可见，混杂复合材料的弯曲模量在湿热老化不同时间后未出现显著下降。这些结果表明，人工加速湿热老化对PBO/T700层间混杂复合材料的弯曲强度和弯曲模量影响较小。

图2 湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料弯曲强度和模量的影响

2.3 压缩性能

湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料压缩强度的影响见图3。由图可见，PBO/T700层间混杂复合材料的压缩强度为375MPa，经湿热老化不同时间后，压缩强度出现了一定程度的下降，最大降幅约为14.4%。这可能是由于湿热环境中的水分子通过界面扩散作用渗透到混杂复合材料内部，使得材料体系中的缺陷增多，界面粘接性能下降，从而导致混杂复合材料的承载性能降低。

图3 湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料压缩 强度的影响

2.4 剪切性能

湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料层间剪切强度的影响见图4。由图可见，经湿热老化不同时间后，PBO/T700层间混杂复合材料的层间剪切强度出现了一定程度的下降。当湿热老化时间为30d时，PBO/T700层间混杂复合材料的层间剪切强度为30.4MPa，较加速老化前下降9.5%，这可能与混杂复合材料压缩性能的下降原因一致。

图4 湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料层间 剪切强度的影响

2.5 动态力学性能

湿热老化不同时间后PBO/T700层间混杂复合材料损耗因子tanδ的变化情况见图5，湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料玻璃化转变温度的影响见表2。从表中结果可以看出，PBO/T700层间混杂复合材料的玻璃化转变温度Tg为127.6℃，经湿热老化1d、7d和30d后，复合材料的Tg分别增大为129.3℃、132℃和136.3℃，当湿热老化时间继续增加为90d时，Tg又下降为119.5℃。这可能是由于在湿热老化的初始阶段，PBO/T700层间混杂复合材料内部的环氧树脂基体在温度的作用下发生了后固化效应，使得树脂体系交联密度增加，与此同时，复合材料体系内部的热应力得到了充分释放，这些结果导致混杂复合材料的耐热性有所提高。然而，随着湿热老化时间进一步延长，湿热环境中的水分子通过扩散作用渗透到混杂复合材料内部，使得混杂复合材料体系中的缺陷不断增多，最终导致材料的耐热性能下降。这表明，PBO/T700层间混杂复合材料长期处于湿热环境中，可能会造成材料耐热性下降[12]。

图5 湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料 损耗因子tanδ的影响

老化时间/d玻璃化转变温度Tg/℃tanδ01276045511293030871320045130136304519011950468

PBO/T700层间混杂复合材料的贮能模量E′和损耗模量E″随湿热老化时间的变化情况见图6和图7。由图可见，经湿热老化一定时间后，PBO/T700层间混杂复合材料的E′和E″分别向高温方向移动，这表明混杂复合材料中树脂基体发生α转变的温度逐渐升高，聚合物分子链段运动需要克服的内摩擦阻力增大，说明湿热老化初期PBO/T700层间混杂复合材料的耐热性有所提高。但是，当湿热老化时间进一步增加为90d时，混杂复合材料的E′和E″又开始向低温方向移动，说明混杂复合材料的耐热性又开始下降，这与混杂复合材料Tg的变化过程一致。

图6 湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料 贮能模量E′的影响

图7 湿热老化时间对PBO/T700层间混杂复合材料 损耗模量E″的影响

3 结论

(1)湿热老化对PBO/T700层间混杂复合材料的拉伸性能和弯曲性能影响较小。

(2)湿热老化导致PBO/T700层间混杂复合材料的压缩性能和剪切性能下降，最大降幅分别为14.4%和9.5%。

(3)在湿热老化的初始阶段，PBO/T700层间混杂复合材料的耐热性有所提高，当老化时间增加为90d时，混杂复合材料的Tg降低，E′和E″向低温方向移动，表明混杂复合材料的耐热性又开始下降。

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Hygrothermal Aging Effects on Mechanical Properties of PBO/T700 Hybrid Composites

ZHANG Cheng-shuang，SHEN Ming，CUI Xia，WANG Jian

(Xi’an Aerospace Composites Research Institute，Xi’an 710025，Shaanxi，China)

The hygrothermal aging effects on static and dynamic mechanical properties of PBO/T700 hybrid composites were studied in this paper by universal testing machine and dynamic mechanical analysis respectively. The results indicated that the tensile strength and modulus，flexural strength and modulus of PBO/T700 hybrid composites experience little change after hygrothermal aging. While the compressive strength and interlaminar shear strength of the hybrid composites declined with maximum drop of 14.4% and 9.5% respectively. The heat-resistance property of PBO/T700 hybrid composites increased to some extent after hygrothermal aging. The glass transition temperature(Tg) of the composites upgrade from 127.6℃ to 136.3℃ after hygrothermal aging for 30 days. However，theTgof the composites degraded，theE′ andE″ shift toward low temperature with aging time increasing，which means a decline of heat-resistance property of the composites.

PBO fiber，T700 carbon fiber，hybrid composites，mechanical properties，hygrothermal aging

国防科工局军品配套科研项目(JPPT-125-GJGG-31-2)

张承双，博士，高工，主要从事先进聚合物基复合材料成型工艺与应用研究；E-mail：cszhang83@163.com；Tel：13201708805

TQ 342.73