碳纤维环氧复合材料的吸湿溶胀行为

碳纤维环氧复合材料的吸湿溶胀行为

王庆雷

（航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨150060）

摘要：复合材料是由两种或两种以上的原材料，通过各种工艺方法组合成的新材料。它既可以保持原材料的某些特点，又具有原材料所不具备的新特征，并可根据需要进行设计。本文详细分析了碳纤维环氧复合材料的吸湿溶胀行为。

关键词：碳纤维；环氧复合材料；吸湿溶胀

碳纤维环氧复合材料是由纤维碳布和环氧树脂高温固化而成的一种新型轻质高强材料，近年来由于易大面积整体成型、成型稳定、较高比强度和比模量等优点，正被迅速地研究和开发，并作为结构件和装饰材料在航天、航空等工业中广泛使用。

一、碳纤维复合材料简介

碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成，含碳量高于90%的无机高性能纤维，是一种力学性能优异的新材料，具有碳材料的固有本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工型，是新一代增强纤维。

1、结构。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。它是一种力学性能优异的新材料，其比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。

2、用途。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。

由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。另外，碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

二、试验方法、材料及仪器

设计碳纤维环氧复合材料的吸湿溶胀试验。试验将碳纤维环氧复合材料试样进行恒温全浸腐蚀试验，间隔72h取出冲洗、冷风吹干、称重，以研究碳纤维环氧复合材料的吸湿溶胀行为。

试验条件：溶液3.5％(质量分数)NaC1，pH值6.2，室温(25±2)℃和高温(70±2)℃两个温度条件，试验周期为72h，试验持续时间为45天。

加热采用恒温水浴槽，用WMZK-01温度指示控制仪控制温度。称重用精度0.1mg的分析天平。

吸湿溶胀试验所用材料为碳纤维/环氧复合材料，该材料是由七层预浸料5222A/G803交错铺织，180℃固化形成的层压板，同时表面共固化玻璃布，总厚度为(2.70±0.20)mm，材料化学组成见为：碳纤维布牌号为G803(T300B-3K-40B)；层数为7层；铺层角度为0°±90°；纤维体积含量为(60±3)％。环氧树脂牌号为5222A；层数为7层；铺层角度为0°±90°；纤维体积含量为(60±3)％。其经向拉伸强度≥550MPa，拉伸模量≥55GPa，层问剪切强度≥60MPa，弯曲强度≥700MPa，弯曲模量≥50GPa。

试样规格为35mm×35mm，有带玻璃布和去玻璃布两种表面状态，其中去玻璃布的试样采用水砂纸打磨露出碳纤维，最后水砂纸到600#。试样试验前经过碱性除油剂超声波除油、无水乙醇脱水、吹干等程序，并且在随后的称重中采用清水冲洗、吹干，避免试样污染，戴脱脂棉纱手套，采用清洁试样夹接触试样。

三、试验结果与分析

由碳纤维环氧复合材料的吸湿溶胀试验结果可知，温度对环氧基体的吸湿影响非常明显。高温状态(70±2)℃吸湿增重率(单位体积内增重)平均比室温状态的高4.60mg/cm3；吸湿增重首先随时间的延长迅速增加，然后大约都在500h时达到极值，此时吸湿达到饱和状态，之后吸湿趋向平缓，但略有缓慢增加趋势。高温下吸湿率较大，主要是由于水分子在高温下活性增加，扩散运动加剧，同时碳纤维环氧复合材料的环氧基体在高温下发生溶胀，加速了水分子在环氧基体内的运动，并且富含水分子，到一定程度时达到饱和状态，因而出现高温比低温时的吸水量大、吸湿增重上升较快的效果，而且到一定时间后达到峰值。

通常，腐蚀介质侵入界面后，①产生聚集，使树脂溶胀，导致界面承受横向拉应力，进而产生裂纹，造成界面结合力下降；②从界面析出可溶性物质，在局部区域形成浓度差，从而产生渗透压；③腐蚀介质与界面物质发生化学反应，破坏化学结构，使界面脱粘，导致界面结合力降低。同时温度越高，树脂基体链段的松弛运动越快，腐蚀介质中的水分子扩散率越大，时间越长，基体吸水及渗入界面的水越多，从而使界面结合力的下降也就越大。

此外，带玻璃布的吸湿溶胀程度高于去玻璃布的，其平均吸湿率要比去玻璃布的高1.64mg/cm3；带玻璃布的复合材料吸湿随时间变化没有明显的极大值，但吸湿增重速率先增加后减小，到后期变得平缓，这时带玻璃布复合材料吸湿接近饱和状态，可以设想这正是带玻璃布复合材料吸湿达到极大值的潜伏期，如果持续一段时间，可能出现吸湿溶胀随时间的峰值。

可见，碳纤维环氧复合材料吸湿有一饱和度，这是由于腐蚀介质中的小分子渗入到高聚物环氧树脂基体内部，环氧树脂基体对水分子的水合能力有限所致；这样引起环氧复合材料宏观上体积与重量的增加，发生溶胀。溶胀可能会引起复合材料中内应力场发生变化，从而导致一定量的纤维/树脂脱粘。对水溶液情形，烘出树脂中的水分会使树脂表面处于拉伸状态而易于出现银纹和表面龟裂。

综上，碳纤维环氧复合材料在水溶液或水溶性腐蚀介质中，将会发生吸湿和溶胀行为，随时间延长，吸湿和溶胀达到饱和状态，而且伴随温度升高，达到这种饱和状态的时间越短。如果用复合材料作承力结构件，那么在腐蚀性环境中它就处于腐蚀性介质和应力的双重作用下，复合材料不仅会发生上述的吸湿和溶胀反应，还会发生因介质和应力联合作用导致的应力腐蚀破裂。在碳纤维环氧复合材料的阴极极化过程中,耗氧和析氢反应较为明显,极化电流开始瞬间迅速增加到极大值,随后发生微小振荡,而且具有比较大的腐蚀电流。

四、结语

总之，由于在碳纤维环氧复合材料的碳纤维和环氧树脂基体之间存在界面，在腐蚀性介质作用下，其界面和环氧基体的破坏是构成复合材料主要失效形式之一。因此，研究碳纤维环氧复合材料自腐蚀行为，为正确应用这种新型材料提供理论依据。

参考文献

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[3]杨专钊.浅析碳纤维环氧复合材料的吸湿溶胀行为研究[J].腐蚀与防护，2015(08)