三维多轴向经编碳/环氧复合材料高温氧化压缩性能研究

党明光

中国直升机设计研究所 结构设计部 天津 300300

引言

现代材料科学技术发展神速，而其中复合材料技术发展研究愈加广泛和深入。复合材料作为现代最前沿的材料之一，其技术研究成为衡量一个国家或地区经济实力的标杆[1]。复合材料由增强材料和基体材料共同组成，两者缺一不可，但是在其技术发展过程之中，增强材料逐渐转型，表现为织物的增强[2]，其中三维多轴向经编复合材料各项力学性能都比传统材料优异很多。除此之外，三维多轴向经编复合材料在编制成型工艺上有极大改进[3]，能一次性将多层增强纤维纱和表面毡编织成为一体，制备出预制件[4]，可以显著提高材料各项力学性能参数。因此，三维多轴向经编复合材料被广泛运用到航空航天、风力发电以及民用体育用品等诸多领域[5]。

1 试样的制备

本文采用材料结构分别为［0°/0°/0°/0°］和［0°/90°/+45°/-45°］的三维多轴向经编碳纤维预制件，并通过真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）工艺，制备获取两种不同结构的三维多轴向经编碳/环氧复合材料。

根据ASTM D6641和ASTM D3410-2003测试标准，将制备好的三维多轴向经编碳/环氧复合材料切割成标准试样，如图1所示。将结构为［0°/0°/0°/0°］材料记作A，结构为［0°/90°/+45°/-45°］材料记作B。室温记作RT；材料A横向压缩试样记作AT，材料A纵向压缩样品记作AL，材料B横向压缩试样记作BT，材料B纵向压缩试样记作BL。将同种结构复合材料分成两组，置于干燥烘箱之中进行干燥，一组进行相同温度下（75℃）不同时间（3d、6d、9d、12d）的高温氧化处理，另一组进行相同时间下（3d）不同温度（50℃、75℃、100℃、125℃）的高温氧化处理。然后在相应温度下，在WDW-100型万能力学试验机上进行压缩实验。高温氧化压缩试样具体参数在表1中列出。

图1 高温氧化压缩试样

表1 高温氧化压缩试样参数

2 实验数据

2.1 应力-应变曲线

图2 材料A高温氧化压缩应力-应变曲线

图3 材料B高温氧化压缩应力-应变曲线

2.2 高温氧化压缩强度和模量

2.3 试样破坏后的SEM照片

3 结果讨论与分析

从材料A和材料B的横向压缩和纵向压缩的应力应变曲线图可以发现，随着高温氧化温度的提高，曲线峰值逐渐降低，说明温度升高会使材料的压缩强度变低；在温度恒定的情况下，随着高温氧化时间的增加，曲线峰值逐渐降低，但是高温氧化处理12d的材料压缩强度却得到提升，这说明随着高温氧化时间的逐步增加，材料可能会出现二次交联，使材料的压缩性能得到提升。

材料A和材料B横纵向的压缩强度和模量分别关于温度和时间的坐标图如图4。从压缩强度-温度图以及压缩模量-温度图可以看出，随着温度升高，无论是材料A和B的横向压缩强度和模量还是纵向压缩强度和模量，它们都呈现出明显的下降趋势，说明高温氧化温度的升高会使复合材料进入塑性平台，进而纤维束强度发生下降，基体强度也发生下降，以及纤维束和基体之间的黏结强度也发生下降，从而导致其压缩力学性能的下降。从压缩强度-高温氧化时间-图以及压缩模量-高温氧化时间-图可以看出，随着高温氧化处理时间的延长，曲线呈现出先下降后上升的趋势，即材料A和B的横纵向压缩强度和模量先下降后上升，这说明高温氧化处理时间达到12d之后，材料A和B可能会出现二次交联，从而使材料力学性能得到提高。

为了进一步探究材料在高温氧化情况下的失效机理，我们对材料进行了SEM显微观察，SEM电镜照片如图5。从图5a可以看出，材料纤维束保持的比较完好，材料发生界面开裂，界面开裂可能是导致材料失效的主要原因；从图5b可以看出，材料纤维束发生严重的断裂，剪切行为明显，因此材料的失效不仅与界面开裂有关，还涉及材料纤维束的断裂和剪切；从图5c可以看出，在材料开裂基础上，纤维束发生部分断裂，这可能导致材料强度和模量下降，同时发现材料的纤维束黏结比较紧密，且纤维束间存在细小颗粒，说明材料在高温氧化处理12d之后，发生二次交联固化，从而使材料的强度和模量得到提高；从图5d可以看出，纤维束结合比较紧密，但界面开裂现象明显，说明界面的开裂是导致材料失效的主要原因；从图5e可以看出，当温度升到100℃时，材料的纤维束表面变得更加光滑，但是部分基体从界面滑落，材料的基体破坏更加严重；从图5f可以看出，当温度升到125℃时，材料基体破坏更加明显，并且纤维束的断裂情况比100℃下的更加明显。以上可以看出，高温氧化温度的提高会使材料纤维束的断裂更加明显，基体开裂更加明显，从而导致材料力学性能下降，高温氧化时间的逐步增加会使材料发生纤维束和基体的脱粘，当高温氧化处理的时间达到一定时，材料会出现纤维束基体界面的黏合，从而使材料的力学性能先下降再上升。

图5 不同温度时间处理下材料压缩破坏SEM照片

4 实验结论

通过对两种结构A［0°/0°/0°/0°］和B［0°/90°/+45°/-45°］的三维多轴向经编复合材料进行横行和纵向的高温氧化压缩实验，可以发现高温氧化温度和高温氧化时间对材料力学性能的影响明显。在保持高温氧化时间不变的情况下，高温氧化温度的升高，会明显导致材料的力学性能下降；在保持高温氧化温度不变的情况下，高温氧化时间的延长，会使材料产生二次交联，材料的力学性能先下降再上升。通过分析实验曲线以及实验样品破坏的SEM照片，发现高温氧化温度的提高会使纤维束的断裂和基体的开裂更加明显，高温氧化时间的逐步增加会使材料的纤维束基体界面发生脱粘和再结合。