运动训练器材用碳纤维复合材料的湿热老化行为研究_喻龙.pdf

76喻 龙 等 运动训练器材用碳纤维复合材料的湿热老化行为研究运动训练器材用碳纤维复合材料的湿热老化行为研究喻 龙1，单紫徽2，雒晓涛2，赵 冬1(1 西安交通大学城市学院，陕西西安 712039；2 西安交通大学，陕西西安 710049)摘要：采用真空辅助成型的方法制备运动训练器材碳纤维复合材料层合板，研究了 40 和 60 的湿热老化环境下碳纤维复合材料的吸湿率、拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和剪切强度变化，并观察了不同老化条件下的拉伸断口形貌。结果表明，温度越高，运动训练器材碳纤维复合材料的平衡吸湿率、线性段斜率和扩散系数越大。当湿热老化温度为40 和 60 时，随着老化时间延长，碳纤维复合材料的拉伸强度、弯曲强度都先增后减，分别在老化时间为 14d 和7d 时取得最大值。当湿热老化温度为 40 和 60 时，随着老化时间延长，碳纤维复合材料的压缩强度先增大后减小，在老化时间为 35d 时取得最大值。当湿热老化温度为 40 时，随着老化时间延长，碳纤维复合材料的剪切强度先增大后减小，在老化时间为 7d 时取得最大值；当湿热老化温度为 60 时，随着老化时间延长，碳纤维复合材料的剪切强度逐渐减小。碳纤维复合材料在湿热环境下的力学性能变化，主要与温度和湿度共同作用下碳纤维复合材料的增塑和固化有关。关键词：碳纤维复合材料；湿热老化；温度；吸湿率；力学性能中图分类号：TB 332 Study on Hygrothermal Aging Behavior of Carbon Fiber Composites for Sports Training EquipmentYU Long1,SHAN Zi-hui2,LUO Xiao-tao2,ZHAO Dong1（1 City College of Xian Jiaotong University,Xian 712039,Shaanxi,China;2 Xian Jiaotong University,Xian 710049,Shaanxi,China)Abstract:Carbon fi ber composite laminates were prepared by vacuum assisted molding.The changes of moisture absorption,tensile strength,bending strength,compressive strength and shear strength of carbon fi ber composite under 40 and 60 wet and heat aging environments were studied,and the tensile fracture morphology was observed.The results show that the higher the temperature is,the greater the equilibrium moisture absorption rate,linear slope and diff usion coeffi cient of carbon fi ber composites are.When the damp heat aging temperature is 40 and 60,the tensile strength and bending strength of the carbon fi ber composite increase fi rst and then decrease with the aging time,and the maximum values are obtained when the aging time is 14d and 7d,respectively.When the damp heat aging temperature is 40 and 60,the compressive strength of the carbon fi ber composite increases fi rst and then decreases with the aging time,and the maximum value is obtained when the aging time is 35d.When the damp heat aging temperature is 40,the shear strength of the carbon fi ber composite increases fi rst and then decreases with the aging time,and the maximum value is obtained when the aging time is 7d;When the hygrothermal aging temperature is 60,the shear strength of carbon fi ber composites decreases with the aging time.The change of mechanical properties of carbon fi ber composites in humid and hot environment is mainly related to the plasticization and curing of carbon fiber composites under the combined action of temperature and humidity.Key words:carbon fi ber composite;damp heat aging;temperature;moisture absorption rate;mechanical property由有机纤维制备的碳纤维复合材料（碳纤维与树脂、金属等基体结合）由于具有高强、耐蚀性能好等特性而被广泛应用于现代化运动训练器材及家庭装饰中1。其中，较为常见的是碳纤维与树脂基结合而形成的碳纤维复合材料，是一种比重小、刚性好的复合材料2，但是在运动训练器材中使用时，难免会遇到高温、湿热等极端环境作用，而当碳纤维复合材料在吸水以及经历高温作用时，自身内部会发生一系列物理化学变化，并使得碳纤维与树脂基之间发生脱粘以及结合力降低等现象3-5，严重影响碳纤维复合材料的使用性能。虽然，目前实际工程应用中出现了一些由于极端恶劣环境而造成的碳纤维复合材料断裂失效的案例6，并认为碳纤维复合材料抵抗湿热老化性能较差是造成工程破坏的重要原因。目前，针对碳纤维复合材料的研究大多集中在其热氧老化方面，如贾耀雄等7研究了碳纤维复合材料在高温和高氧环境下的老化行为，蒋诗才等8研究了碳纤维复合材料在热氧老化环境下的低速冲击性能，马少华等9研究了碳纤维复合材料在热氧老化环境下的热失重变化行为等。但是，针对碳纤维复合材料湿热老化行为的系统研究报道较少，对其在湿热环境下的力学性能变化规律等尚不十分清楚。因此，本研究以运动训练器材上常用的碳纤维树脂基复合材料为研究对象，考察了碳纤维复合作者简介：喻龙，硕士，讲师，研究方向：运动训练器材等。DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.025合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期77材料在 40 和 60 的湿热老化环境下的吸湿率、拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和剪切强度变化规律，并分析了相应的作用机理。1 材料与方法1.1 材料日本东丽 T700SC-12K-50C 型碳纤维（密度 1.74 g/cm3、拉伸强度 2.38GPa、拉伸模量 236GPa），上海华谊树脂有限公司提供的 E-44 型环氧树脂，国药集团提供的工业丙酮（纯度 99.6%），德国科德宝集团提供的 FLEX-X 6.0 脱模剂。1.2 试样制备采用真空辅助成型的方法制备运动训练器材用碳纤维复合材料层合板，首先将碳纤维制作成 450mm 450mm 的碳纤维布，然后铺平在经过丙酮清洗过的玻璃平板上，并用脱模剂涂抹均匀，根据 ASTM D3039 进行铺层（铺层顺序为 05）并获得厚度为 1mm 的层合板，完毕后按照上述相同的顺序进行铺放，并采用三通两端连接的螺旋管灌注环氧树脂对碳纤维进行充分浸润（灌注时间为 40min），结束后进行 138/60min 的固化处理，固化完成后冷却至室温，取出碳纤维复合材料板材。1.3 测试方法根据 ASTM D5299 进行吸湿率测试，试样尺寸为 25mm 25mm2mm，测试温度为 40 和 60；拉伸性能测试采用 ASTM D3039，试样尺寸为 250mm15mm1mm（中间辅助加强片和应变片），在LD30.116型万能材料试验机上进行，拉伸速率为 1mm/min，结果为 3 组试样平均值；根据 ASTM D6641 进行压缩性能测试，试样尺寸为 140mm12mm2mm（中间辅助加强片和应变片），在 LD30.116 型万能材料试验机上进行，压缩速率为 1.5mm/min，结果为 3 组试样平均值；根据 ASTM D7264 进行弯曲性能测试，试样尺寸为 155mm13mm4mm，跨距为 128mm，在 LD30.116 型万能材料试验机上进行三点短梁弯曲性能测试，加载速率为1mm/min，结果为 3 组试样平均值；根据 ASTM D2344 进行剪切性能测试，试样尺寸为 18mm12mm3mm，在 LD 30.116 型万能材料试验机上进行，加载速率为 1mm/min，结果为 3 组试样平均值；拉伸断口在喷金后，置于 IT 500 型钨灯丝扫描电子显微镜上观察。2 结果与分析2.1 吸湿性图1为碳纤维复合材料的吸湿率随时间的变化曲线。可见，在温度为 40 和 60 时，初始阶段碳纤维复合材料的吸湿率都会随着时间延长而快速上升，在到达某一时间时，吸湿率逐渐趋于稳定或缓慢增加，这主要是由于碳纤维复合材料中的水含量在吸湿过程中逐渐趋于饱和，再延长时间对吸湿率影响不大10。从吸湿参数统计结果来看：当浸泡温度为 40 时，碳纤维复合材料的平衡吸湿率为 0.870%，线性段斜率为 0.43，扩散系数为1.9310-3 mm2/h；当浸泡温度为 60 时，碳纤维复合材料的平衡吸湿率为 0.873%，线性段斜率为 0.67，扩散系数为 4.63710-3mm2/h。可见，温度越高则碳纤维复合材料的平衡吸湿率、线性段斜率和扩散系数越大。图 1 碳纤维复合材料的吸湿率随时间的变化曲线Fig.1 Change curve of moisture absorption rate of carbon fi ber composite with time2.2 力学性能图 2 为碳纤维复合材料板材（0）的拉伸强度。当湿热老化温度为 40 时，随着老化时间延长，碳纤维复合材料的拉伸强度先增大后减小，在老化时间为 14d 时取得最大值；当湿热老化温度为 60 时，随着老化时间延长，碳纤维复合材料的拉伸强度先增大后减小，在老化时间为 7d 时取得最大值。对比分析可知，碳纤维复合材料都会在吸湿第一阶段结束时取得最大值，这主要是因为此时复合材料会受到外界温度和湿度的共同作用，主要包括吸湿阶段水进入碳纤维复合材料而对基体增塑以及高温下复合材料发生固化。然而，当碳纤维复合材料的吸湿老化进入第二阶段后，碳纤维复合材料内部会由于热应力和内应力作用而萌生裂纹并破坏碳纤维与树脂基体界面11，拉伸强度反而会减小。图 2 碳纤维复合材料板材的拉伸强度Fig.2 Tensile strength of carbon fiber composite plate图 3 为运动训练器材用碳纤维复合材料板材（0）的压缩强度。当湿热老化温度为 40 时，碳纤维复合材料的压缩强度先增大