韩 霞，杨丽君，刘 静，江 金，华继凡

应用研究

中低温固化环氧复合材料老化性能研究

韩 霞1, 2，杨丽君2，刘 静1, 2，江 金1, 2，华继凡1, 2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 湖北长海新能源科技有限公司，湖北黄冈 438011）

本文采用中低温固化环氧碳纤维预浸料，制备了LT-EP/CF复合材料平板，进行了湿热老化和盐雾老化试验，对老化后的力学性能进行了测试。研究结果发现：湿热老化10个周期后，弯曲强度受界面性能影响更大，弯曲强度保留率为93.00%，拉伸强度主要靠纤维强度主宰，拉伸强度保留率为95.35%。湿热老化经30个周期后，强度和模量保留率仍≥85%，满足大多数装备的设计寿命。盐雾老化后，试样的破坏形式以层间破坏为主，主要破坏基体性能。盐雾老化10 d后，弯曲强度保留率为90.08%，拉伸强度保留率为90.92%，强度下降相较于湿热老化更严重。盐雾老化30 d后，强度和模量保留率仍≥85%，满足大多数装备耐受腐蚀环境的要求。

中温固化环氧复合材料 湿热老化 盐雾老化

0 引言

随碳纤维增强环氧树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced epoxy polymer，EP/CF）是以环氧树脂为基体，碳纤维为增强体，采用先进复合材料成型工艺制备而成的一系列高性能复合材料[1]。EP/CF复合材料作为先进复合材料的一个最重要的分支，已广泛应用于制作飞机结构件、军工轻量化防护构件。根据树脂固化温度不同，EP/CF复合材料的固化可分为中温固化（50～130℃）和高温固化（130℃以上），分别朝着两个方向进行改性，一是增韧；二是高耐热性。

中低温固化体系的环氧树脂基复合材料（LT- EP/CF）是由柔性环氧树脂和特殊固化体系复配而成[2-3]，相比于通用EP/CF复合材料，LT- EP/CF复合材料具有固化温度低、内应力小、尺寸稳定精度高、工艺操作性优异、产品增韧效果明显、生产成本低等优点[4, 5]，扩宽了EP/CF复合材料的应用时间和领域，在水下及海洋环境的大型装备，如螺旋桨、导流罩、无人机、海上风电叶片等的应用[6,7]，具有广阔的发展空间。

大量关于复合材料环境老化研究表明，湿和热对复合材料的老化产生最主要的影响，直接影响其使用性能，在海洋环境温度交替、高湿、高盐雾等多环境因素的耦合作用下，复合材料的力学性能均会下降[8]。Dao等[9]研究了热/湿老化对结构环氧树脂基复合材料的影响，结果表明，湿度和温度的协同作用对基体、界面等的影响显著，玻璃化转变温度和储能模量均随老化时间而降低。但目前还未有一个完全有效的人工加速老化试验方法来真实、准确地模拟海洋自然环境各因素的作用[10,11]。

LT-EP/CF复合材料作为一种先进改性复合材料，应用领域逐渐扩大[12]，还没有对其加速老化行为及失效机制进行系统研究。有必要针对典型服役环境，有针对性地开展模拟海洋环境的湿热、浸泡、盐雾等单因素实验室环境试验，积累LT-EP/CF复合材料实验室环境试验老化数据，性能变化规律。

1 试验

1.1 LT-EP/CF复合材料性能试验

材料：1）树脂：所用树脂为中低温固化型环氧树脂WP-B1261，惠柏新材料科技股份有限公司。2）纤维：T700-12K碳纤维，中复神鹰碳纤维股份有限公司。3）EP/CF预浸料：江苏澳盛复合材料科技有限公司。

试验样品：采用真空袋压成型工艺，制备LT-EP/CF复合材料平板。结构设计为均衡对称层合板形式，成0/90°正交铺设，表面铺设±45°共4层。LT-EP/CF复合材料平板厚度4 mm。试验成型温度控制：60℃固化2 h，90℃固化3 h，降温2 h。

试验方法及试验设备：按照GB/T 1447-2005和GB/T 1449-2005对LT-EP/CF复合材料试样的拉伸性能和弯曲性能进行测试。万能电子试验机：RGT-10A 型万能电子试验机。

图1 LT-EP/CF复合材料成型工艺及试样

1.2 耐海洋环境老化性能试验

试验方法：按照GJB 150.9A-2009《军用装备实验室环境试验方法第9部分:湿热试验》和GJB 150.11A-2009《军用装备实验室环境试验方法第11部分:盐雾试验》对LT-EP/CF复合材料试样进行老化试验。试样经老化试验后每间隔5天进行测试，按照GB/T 1447-2005和GB/T 1449-2005对LT-EP/CF复合材料试样的拉伸性能和弯曲性能进行测试。对老化10d的拉伸试样进行扫描电镜，观察断面的纤维与基体界面情况。

试验设备:RGT-10A 型万能电子试验机，中机仪器有限公司。SH050A型湿热试验箱，重庆银河试验仪器有限公司。FQY-025 气流式盐雾老化试验箱，上海试验机厂有限公司。

表1 环境试验箱及试验条件

表2 湿热循环试验条件

表3 盐雾循环试验条件

2 结果及分析

2.1 LT-EP/CF复合材料湿热老化前后的力学性能

LT-EP/CF复合材料经湿热试验后，测试拉伸、弯曲强度，测试结果列于表4。

试验以24 h为一个循环周期，最少进行10个周期。一般10个周期足以展现湿热环境对大多数装备的潜在影响。如图2和图3所示，LT-EP/CF复合材料湿热老化后，弯曲强度和拉伸强度在前10个周期较快速下降，后期性能下降速率明显减慢，趋于平缓；拉伸模量受湿热老化影响较小。湿热老化10个周期后，弯曲强度保留率93.00%，拉伸强度保留率95.35%；湿热老化经30个周期后，弯曲强度保留率87.62%，拉伸强度保留率94.33%。湿热老化10个周期后，弯曲模量保留率94.61%，拉伸模量保留率96.23%；湿热老化30个周期后，弯曲模量保留率89.45%，拉伸模量保留率95.77%。湿热老化经30个周期后，强度和模量保留率仍≥85%，满足大多数装备的设计寿命。

图3 LT-EP/CF复合材料湿热老化拉伸性能测试结果

2.2 LT-EP/CF复合材料盐雾老化前后的力学性能

LT-EP/CF复合材料经湿热试验后，测试拉伸、弯曲强度，测试结果列于表5。

图2 LT-EP/CF复合材料湿热老化弯曲性能测试结果

表4 LT-EP/CF复合材料湿热老化前后力学性能(MPa)

本试验推荐使用交替进行的24 h喷盐雾和24 h干燥两种状态共10 d(2个喷雾湿润阶段和2个干燥阶段）的试验程序。经验证明，这种交变方式和试验时间，能提供比连续喷雾10 d更接近真实暴露情况的盐雾试验结果，并具有更大的潜在破坏性，因为在从湿润状态到干燥状态的转变过程中，腐蚀速率更高。如图4和图5所示，LT-EP/CF复合材料经盐雾老化后，弯曲强度和拉伸强度在前10 d较快速下降，后期性能下降速率明显减慢，趋于平缓；弯曲模量和拉伸模量受老化影响较小。盐雾老化10 d后，弯曲强度保留率90.08%，拉伸强度保留率90.92%；盐雾老化30 d后，弯曲强度保留率86.22%，拉伸强度保留率88.56%。盐雾老化10d后，弯曲模量保留率104%，拉伸模量保留率98.28%；盐雾老化30d后，弯曲模量保留率90.40%，拉伸模量保留率95.25%。盐雾老化30 d后，强度和模量保留率仍≥85%，满足大多数装备耐受腐蚀环境的要求。

表5 LT-EP/CF复合材料盐雾老化前后力学性能

图4 LT-EP/CF复合材料盐雾老化弯曲性能测试结果

图5 LT-EP/CF复合材料盐雾老化拉伸性能测试结果

2.3 LT-EP/CF复合材料老化机理分析

湿热老化初期，LT-EP/CF复合材料力学性能呈上升趋势；第5～10个循环周期中力学性能快速降低；后期力学性能缓慢下降。湿热老化初期，温度和湿度对材料性能的影响主要有两个方面：一方面,湿气的渗透破坏了基体的化学键，当纤维受力后,基体的传递载荷作用降低，复合材料强度下降；另一方面，高温使材料中的树脂固化程度增加，引起性能的提高，两种作用的综合结果是使材料力学性能出现起伏。湿热老化中期，基体和界面性能逐渐下降，基体对纤维的包裹程度降低，复合材料强度下降，如图6(a)所示。湿热老化10个周期后，弯曲强度受界面性能影响更大，弯曲强度保留率为93.00%，拉伸强度主要靠纤维强度主宰，拉伸强度保留率为95.35%。湿热老化后期，渗透率趋于平衡，性能下降速率明显减缓。

盐雾老化对树脂与纤维的界面强度影响不大，拉伸破坏后，纤维表面包裹大量的树脂，如图6（b）所示。盐雾老化后，破坏形式以层间破坏为主，层间破坏面积较大于湿热老化破坏面积，表明盐雾老化主要破坏基体性能。盐雾老化10 d后，弯曲强度保留率为90.08%，拉伸强度保留率为90.92%,强度下降相较于湿热老化更严重。

图6 老化10d后拉伸破坏扫描电镜图

3 结论

本文采用中低温固化环氧碳纤维预浸料，制备了LT-EP/CF复合材料平板，进行了湿热老化和盐雾老化试验，对老化后的弯曲强度、弯曲模量以及拉伸强度、拉伸模量进行了测试，主要结论如下：

1）湿热老化10个周期后，弯曲强度受界面性能影响更大，弯曲强度保留率为93.00%，拉伸强度主要靠纤维强度主宰，拉伸强度保留率为95.35%。湿热老化后期，渗透率趋于平衡，性能下降速率明显减缓。湿热老化30个周期后，弯曲模量保留率89.45%，拉伸模量保留率95.77%。湿热老化经30个周期后，强度和模量保留率仍≥85%，满足大多数装备的设计寿命。

2）盐雾老化后，试样的破坏形式以层间破坏为主，主要破坏基体性能。盐雾老化10 d后，弯曲强度保留率为90.08%，拉伸强度保留率为90.92%,强度下降相较于湿热老化更严重。盐雾老化30 d后，弯曲模量保留率90.40%，拉伸模量保留率95.25%。盐雾老化30 d后，强度和模量保留率仍≥85%，满足大多数装备耐受腐蚀环境的要求。

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Aging performance of medium-low temperature curing epoxy composites

Han Xia1,2, Yang Lijun2, Liu Jing1,2, Jiang Jin1,2, Hua Jifang1,2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Hubei Greatsea New Power Technology Co., Ltd., Huanggang 438011, China)

TB33

A

1003-4862（2022）10-0159-03

2022-07-28

韩霞（1994-），女，工程师。研究方向：新材料应用。E-mail: 13517278659@163.com