0406;酸雨环境下碳纤维树脂基复合材料失效行为及机理研究;2300.doc

酸雨环境下碳纤维树脂基复合材料失效行为及机理研究 酸雨环境碳纤维树脂基复合材料失效 图1全时浸泡条件下碳纤维树脂基复合材料低频阻抗模值变化谱图 2.2外加阴极极化失效过程 通过外加阴极极化条件，碳纤维树脂基复合材料作为阴极出现了还原反应，令材料的失效速度加快。如下图2所示即为外加-600mV恒电位下碳纤维树脂基复合材料低频阻抗模值变化谱图，图中完整碳纤维树脂基复合材料在试验初期就由108～109Ω·cm2迅速下降至106Ω·cm2，下降幅度十分大，而纤维裸露材料在试验24h后由105～106Ω·cm2下降至104Ω·cm2，其后则是保持在103Ω·cm2。由此可得结论：在外加阴极极化条件下，介质无论是在完整材料还是纤维裸露材料中的渗透较快，随着浸泡时间增加，逐渐生成不溶性物质，低频阻抗模值变化值较大。 图2外加-600mV恒电位下碳纤维树脂基复合材料低频阻抗模值变化谱图 2.3力学测试 选用Instron-1185万能试验机开展力学测试工作，采取弯曲测试、层间剪切测试的方法进行性能考察，其中弯曲、剪切测试试样的规格分别为85mm×12mm×2mm、50mm×12mm×2mm，加载速度则是2mm／min。 根据力学测试可得，开路电位下浸泡试样的弯曲强度保留率超过90%，可以说开路电位下试样浸泡于酸雨模拟溶液中，未出现较大破坏现象；外加阴极极化条件下，浸泡试样的弯曲强度保留率直接降至82.1%。通过层间剪切测试可对材料强度加以评价，开路电位下试样的层间剪切强度保留率依旧超过90%；外加阴极极化条件下，浸泡试样的弯曲强度保留率直接降至67.9%。因此，可得结论：外加阴极极化直接影响到了树脂和纤维界面结合强度，加速材料失效过程，导致层间剪切强度降低[3]。 2.4反应机制 在试验实施至90d，对两种条件下的试样分别开展红外光谱与X射线光电子能谱分析。 （左）开路电位下浸泡；（右）外加阴极极化条件下浸泡 图3试样浸泡至90d的FT—IR谱图 如图3（左）所示，全时浸泡90d后，试样红外谱各个基团峰位置并没有出现较大的变化，因此可得结论：在此条件下，碳纤维树脂基复合材料的树脂分子链仅出现较小程度的降解。如图3（右）所示，外加阴极极化条件下浸泡90d后，1000～1700cm-1聚酰亚胺特征峰的变化十分显著，其中1066cm-1产生羧酸C-O伸缩震动，而2800～3400cm-1产生羧酸OH伸缩震动，3041cm-1、3198cm-1是氨基特征峰，聚酰亚胺树脂特征峰出现分解，在模拟酸雨溶液的浸泡下，不饱和聚酯树脂出现水解反应。 通过X射线光电子能谱则能够更清楚展现两种条件下的试样变化情况，一是全时浸泡90d后XPS谱图和原始谱图基本一致，试样成分基本没有出现变化；二是以碳纤维为阴极，表面出现氢还原反应，大量出现气泡，同时溶液渗入到复合材料树脂层，并通过反应生成新溶液，与外部介质产生渗透压，导致水分进入材料内部，进一步扩大材料中的缝隙、孔洞，材料失效加速。 3.结语 综上所述，通过实验可以发现，碳纤维树脂基复合材料中树脂层具有良好屏蔽功能，开路电位下酸雨模拟溶液未能够对试件产生较大破坏，而在外加恒电位阴极极化作用下，试件破坏程度提升，不仅表层树脂出现降解反应，界面也产生较大破坏，材料失效老化速度加快。 参考文献： [1]黄远,万怡灶,何芳,等.碳纤维/环氧树脂单向复合材料的吸湿残余应力研究[J].航空材料学报,2009,29(4):57-62. [2]陈博,万红,穆景阳,等.重频激光-载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂复合材料失效规律[J].玻璃钢/复合材料,2011(6):20-23. [3]詹茂盛,刘德顺.玻纤增强环氧树脂复合材料的酸雨循环老化性能与机理[J].玻璃钢/复合材料,2007(3):28-32.