【地坪網資訊】肖文萍 許俊華 朱怡超
(中國直升機設計研究所,江西景德鎮333001)
摘要：通過分析浸泡試驗以及熱老化試驗對層間剪切強度和Tg值的影響,得出吸濕率是影響復合材料 性能的最顯著因子,研究了吸濕率與溫度和時間的關系。另外,還研究了在一定吸濕率下復合材料的耐沖擊 和疲勞性能的變化。
關鍵詞：環氧;復合材料;腐蝕;環境
中圖分類號：TB304; TB332 文獻標識碼: A
文章編號：1672-9242(2008)06-0076-06
先進復合材料具有低密度、高比強度、高比模量、耐環境性能優異、可設計性強等諸多優點,已經成為航空航天各類飛行器的主要結構材料。在國外,主要的軍、民用直升機,如:PAH-2 (虎)、RAH- 66(科曼奇)和NH-90均大量采用先進復合材料。
PAH- 2是法德聯合研制的武裝直升機,從其用材上分析,可以看出輕質材料仍是首選,最突出的現象是復合材料在機身上的用量明顯增多,號稱80%復合 材料的直升 機。NH-90為全復合材料機體結構,在機體結構中,除發動機平臺防火墻和部分加強件采 用輕合金以外,其余部分均采用復合材料。大部分 承載結構用碳纖 維增強的復合材料制成,少數結構 用Nomex蜂窩夾層結構復合材料制成。全復合材 料機體大大減少了隔框和縱梁的數目,同全金屬結 構相比,其零件數目 減少20%,質量減輕20%,與此 同時,還提高了抗腐蝕和損傷容限的能力,減少了雷 達特征信號。RAH-66雖已下馬,但仍不失為當代 新開發的先進 武裝直升機的目標,復合材料結構質 量占機體結構質量的54%,其中碳纖維/環氧樹脂 占結構的44%。主承力件采用IM7碳纖維和增韌 環氧樹脂 8552,IM7碳纖維復合材料與T300碳纖 維復合材料相比,強度增加了20%~40%,剛度增 加了35%,損傷容限提高了近100%,低速沖擊后 壓 縮強度高1倍,使用這種新型復合材料后,機身結構質量比用金屬材料減輕了34%,比T300級別的復合材料輕14%。
按照上述發展趨勢,高性能復合材料還將得到更廣泛的應用。然而,腐蝕問題卻是制約直升機發展的重要因素之一。據資料顯示,國內外每年由于腐蝕問題造成的各種損失 高達數百億。由于我國對復合材料的耐腐蝕問題尚未開展過深入研究,因此, 深入研究復合材料與環境相互作用所發生的腐蝕失效的機理問題是一重要課題。本項 目通過對復合材料進行浸泡腐蝕等試驗,研究了影響復合材料腐蝕的最顯著環境因子,以及在最顯著因子影響下復合材料耐沖擊和疲勞性能的變化。
1 環境因子影響試驗與分析
1.1 試驗材料
試驗材料選擇中溫固化環氧碳布復合材料 3234/G827。
1.2 試驗設備
試驗設備有:AR2140型電子分析天平(0.1 mg)(上海奧豪斯公司);鍍鉻游標卡尺(精度為 ±0.02 mm)(北京量具道具廠);Du Pont982型差 熱儀(DMA)(美國杜邦公司);恒溫水浴箱(精度為 ±0.5℃)(北京醫療設備廠)。
1.3 試驗內容
根據工程經驗,復合材料的腐蝕老化與溫度、時 間、腐蝕介質密切相關,試驗著重研究此3種因素與 材料腐蝕之間的關系,從中找出影響最大的因子。
1.3.1 正交試驗
三因素三水平正交試驗。
試樣尺寸:20 mm×6 mm×2 mm;
溶液:NaCl質量分數分別為1%,3%、5%的 NaCl溶液;
溶液溫度:30、55、80℃;
浸泡時間:10、20、30 d。
1.3.2 熱老化試驗
此試驗為考察在沒有其它因素作用時,單純的 高溫對材料力學性能和玻璃化轉變溫度的影響,試 驗取一個溫度水平,3個試驗周期(時間水平)。
1.3.3 吸濕率與溫度、時間關系曲線的測定試驗
試驗主要是測定復合材料浸泡在NaCl溶液 (NaCl的質量分數為3%)中,吸濕率與溫度和時間 的關系。
1.3.4 試驗結果處理
用電子天平稱取試樣在浸泡前和浸泡后的質 量,按下式計算試樣的增重率:
式中:R(t)為增重率;W0和Wt分別為試樣的起始 質量與浸泡時間t后的質量。
對浸泡后的試樣進行玻璃化轉變溫度(Tg)的 測定和按照GB 3357進行短梁剪切試樣,并與未進 行浸泡的空白試樣進行對比分析。
1.4 試驗結果及分析
1.4.1 正交試驗
正交因素水平見表1。
將所得各組試樣的層間剪切強度值和玻璃化轉變溫度值填入正交表,計算出相關項(水平1、2、3分別對應的目標函數及其相應的極差),見表2。
表2中Ⅰj為各因素中水平1所對應的目標函 數之和;Ⅱj為各因素中水平2所對應的目標函數 之 和;Ⅲj為各因素中水平3所對應的目標函數之和; Rj為極差,是各列中水平1、2、3所對應的目標函數 和中最大值與最小值之差;下角標為1的是與 剪切 強度有關的項;下角標為2的是與玻璃化轉變溫度 有關的項。
由表2可知,極差R21>>R31>>R11,即當因 素2(溫度)變動時,層間剪切強度值的波動最大,且 遠大于因素1和因素3變動時對剪切強度的影響, 因此,當目標函數是層間剪切強度時,最顯著因子為 溫度。
