碳纤维_环氧树脂复合材料加速热氧老化研究

图3 复合材料在不同温度下的 tanδ 温度谱
Fig. 3 Tanδ thermographas of composite at different temperatures
180℃ 和 图 3 给 出 了 复 合 材 料 分 别 在 160℃ 、 200℃ 下老化 了 60 天 后 的 tanδ 温 度 谱 图， 试验 中 取 tanδ 的 峰 值 温 度 为 复 合 材 料 的 玻 璃 化 转 变 温 度 ( T g ) ［4］。与未老化的空 白 试 样 比 较， 3 个温度下老 化 60 天 后， 复 合 材 料 的 T g 均 明 显 增 加 ( 空 白 样、 160℃ 、 180℃ 和 200℃ 下 的 T g 分 别 为 141. 8℃ 、 150. 7℃ 、 160. 8℃ 和 176． 7℃ ) ， Tg 且 老化 温 度 越 高， 上升幅度越大。这是因为， 在热氧老化 过 程中， 因水 分和残余小分子物质的脱除而产生的基体 脆 化 作 用 会使 T g 增加。本实验中， 复合材料的 最 大 失 重 率 为 0. 307% ( 图 1 ) ， 即使忽略残余 低分 子 物 的 挥 发 和 脱 湿对 T g 的影响， 后固化和物理老化( 基体收缩) 也能 使 T g 增加
3 －1
Table 1
。温度对纤维 增强 复合材料力 学 性 能 的影 ， 但 从 宏 观 上 来 说， 正 是 增强 和 损伤 这 两
响很 复 杂 ， 存在一定争议， 各个学者的研究结 果也 不 尽相同
［13 ］
种过程在不同 的 温 度 下 表 现出 不 同 的 竞 争 优 势， 从 而产生上述复杂的性能变化特征。类 似 的性 能 变 化 趋势在文献中也曾有过报道
表1 复合材料在不同温度老化 200h 的质量下降速率 Rate of weight loss for composite aged for 200h at different temperatures
Aging Time /h 200 200 200 Aging Temperature / ℃ 160 180 200 Weight Loss Rate × 10 / h 1． 065 1． 243 1． 405
2
2. 1
结果与讨论
复合材料的老化失重分析
图2
不同温度下复合材料的性能保留率随时间的变化 Fig. 2 Relative property retention of composite with aging time at different temperatures
180℃ 和 200℃ 图 2 为 复合材料分 别在 160℃ 、 老化条件下的剪切强度保持率随时 间 的 变 化。 由 图 2 可知， 在 老化 60 天 时， 剪 切 强 度的 保 持 率 最 大 降
CF /828 + TDE85 复合材料为研究对象， 180℃ 和 200℃ 下对其进行了 60 天的加速热氧老化， 摘 要: 以 T700分别在 160℃ 、 研究了老化过程中复合材料的失重率、 力学性能、 玻璃化转变温度以及化 学 结 构 的 变 化， 分析了 其 热氧老 化 机 理。 用 TG 法 研 WallOzawa 法计算热解平 均活 化 能 ( E = 92. 98kJ / mol ) ， 究了该复合材料的热解动力学， 应用 Flynn并 用 热 解 动力学参 数 预 测 材料的寿命。 关键词: 碳纤维; 环氧树脂; 复合材料; 热氧老化; 使用寿命 中图分类号: TB332 ; TQ327. 3 文献标识码: A 文章编号: 1003 － 0999 ( 2012 ) 02 － 0025 － 05
［7 ］ ［8 ］
， 对 光 源添 加 各 种 滤 光 镜 使 光 的 波
长和 强 度 与 材 料 的 实 际 使 用 时 的 光 照 条 件 相 同 ， 采用不同的老化方法， 不仅老化后材料的 外 观
［9 ］
形貌有所不同， 而且性能也有较大差异， 所以 选 择 合 适 的老化 方 法 尤 为 重 要 ， 通 常 采 用 加速老化的 方
［1 ～ 6 ］
1
1. 1
实验方法与材料
材 料 T700CF /828 + TDE85 复合材料， 缠绕 成 型， 复
合材料 NOL 的厚度 为 3mm， 宽 度 为 6mm， 纤维体 积 T g 为 142℃ 。 含量约为 70% ， 1. 2 热氧老化试验 把试样置于电热 鼓 风 干 燥 箱 内， 分 别 于 160℃ 、 180℃ 和 200℃ 下进行热氧老化， 每隔一段时间取出 试样进行性能测试。 1. 3 性能测试 ( 1 ) 老化失重测试 老化过程中， 每 隔 一定 时 间 将 试 样取 出用 电 子 天平( 精度 0. 1mg ) 进行 称 重， 按 式 ( 1 ) 计 算 一定 老 化时间的失重率: ( m0 － m t ) / m0］× 100 % 失重率% = ［ 材料质量。 ( 2 ) 静态力学性能测试 2008 标准， 1121 按照 GB / T1458使用 INSTRON型万能材料试验机测试复合材料 NOL 的 剪 切 强 度， 加载速度为 2mm / min， 每 个 数据点 取 十 个 试 样 的 平 均值。 ( 3 ) DMTA 测试 使用 TA 公 司 的 Q800 型 动 态 热 机 械 分 析 仪 ( DMTA) ， 采用三点 弯 曲 模式， 测 定 复合材料的 tanδ 温度谱， 玻璃 化 转 变 温 度 ( T g ) 取 tanδ 的 峰 值 温 度。 ( 1) m0 为 材料 初 始 质 量， m t 为 老化 t 小 时 的 式中，
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复合材料老化 初 期， 质 量的 迅 速 下 降 主要 归 因 于材料内 水 分 和 残 余 低分 子 物 质 的 脱 除 FRP / CM 2012. No. 2
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， 200h
。
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27 玻璃钢 / 复合材料 复合材料 T g 的变化 谱图与空白样 的 谱 图 完 全 一 致， 没 有 任 何 峰 位置 变 ， 化或者新峰的 出现 这 种 现 象 在 郭明 映 等 所 做 的 紫
0331 收稿日期: 2011) ，男，硕士，主要从事碳纤维增强复合材料及其应用研究。 作者简介: 何纯磊 ( 1985通讯作者: 于运花，女，博士，教授，主要从事碳纤维树脂基复合材料界面和环境老化，以及纳米功能复合纤维的研究。
FRP / CM 2012. No. 2
26 2012 年 3 月 碳纤维 / 环氧树脂复合材料加速热氧老化研究 试样尺寸为 10 × 6 × 3mm， 频 率 为 1Hz， 升温速率为 5℃ / min。 ( 4 ) 红外分析 将复合材料 磨 成 粉末， 与 KBr 混匀 压 片。 采 用 IR ) ( Nexus 670 ， Nicolet ) 分 傅立叶 红 外 光 谱 仪 ( FT析老化前后的化学结构变化。 ( 5 ) TGA 分析 热重分析 采 用 TA 公 司 的 Q50 型 仪 器， 样品约 为 7mg， 空 气 流 速 为 40mL / min， 分 别 以 5℃ / min、 10℃ / min、 15℃ / min 和 20℃ / min 的 升 温 速 率 升 温 至 600℃ 。 后， 当以上成分基本脱除后， 质量下 降 趋 于 平 衡。 从 后面的 TGA 结果看， 复合材料的 起 始 分 解 温 度 约 为 300℃ ， 因此， 可以 认 为， 在 本实 验 的老化 温 度 下， 不 存在因基体 网 链 断 裂 产 生 碎 片 导 致 材料 失 重的 现 象， 复合材料主要发生的是物理老化。 2. 2 复合材料力学性能的变化
［6 ， 12 ］
Weight loss ratio of composite at different temperatures
180℃ 和 图 1 给 出 了 复 合 材 料 分 别 在 160℃ 、 200℃ 热氧老化 条件 下 的 失 重 率 随 时 间 的 变 化。 由 图 1 可见， 复合材料 在 老化 初 期 ( 200h 内 ) ， 质量快 速下 降 ， 随后趋于平衡。表 1 列 出 了 前 200h 内 3 种 温度下的质量下降速率。温度越高， 失重越快， 且平 衡 失重率越高。 老 化 到1 0 0 0 h ， 最高失重率约为 0. 307% 。
碳纤维 / 环氧树脂复合材料 因 其 优 异 的力 学 性 能和可设计性等优点， 被广泛用于航空、 航天等 诸 多 领域。复合材料在实际使用中， 外界环境因素( 如温 度、 湿度、 紫 外 光 等 ) 的 作 用 会 导 致 基体、 纤维 或 纤 维 / 基体界面发生 变 化 或 破 坏， 使其 力 学 性 能 降 低， 因此 复 合 材 料 的 老 化 研 究 已 引 起 人 们 的 普 遍 关 注
。复合材料老化的研究 方 法 主要 包 括 自然 大
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气暴晒、 人工气候老化、 人工热氧老化和 人 工 湿 热老 化四个方面 ， 其中人工气候老化最为复杂， 要根据 所研究环境的不同， 模拟各种自然条件， 如不 断 将 材 料分别置于酸性水溶液和真空烘箱中老化 以 模 拟 酸 雨 循 环的 条件 等
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法研究材料的老化机 理 并 预 测老化 寿命
。本 文
CF /828 + TDE以碳纤维 / 环氧树脂复合材料 ( T70085 ) 为研究对象， 采 用 人 工 加速热氧老化 方 法， 研究 老化 后 复合材料 各 种 性 能 的 变 化， 并 用 TG 法 研究 WallOzawa 法 预 测 寿 其热降 解 动 力 学， 应 用 Flynn命。本研究选择的老化温度虽然不适用 于材料的 实 际使用温度， 但 研究结 果 对于 揭 示 该 复合材料的热 氧老化机理以及苛刻条件下的使用寿命 评 估 具 有重 要的参考价值。
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