飞机结构复合材料循环加速老化的研究.pdf

第3 2 卷第2 期 2 0 1 4 年4 月 中国民航大学学报 J O U R N A LO FC I 、，。A A n o NU N I V E R S n Yo FC H I N A V 0 1 3 2N o 2 A p r i l 2 0 1 4 飞机结构复合材料循环加速老化的研究 纪朝辉，刘阔，白云，梁吉勇 ( 中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津3 0 0 3 0 0 ) 摘要：对飞机结构复合材料设计进行了盐雾、紫外、温热3 种加速老化方式的循环加速老化试验，确立循环加速 实验参数( 即加速谱) ，对不同循环周期后的试样进行吸湿规律分析，测试了循环老化后试件的拉伸力学性 能，观察了试样老化后的宏观形貌，并通过S E M 分析了失效的形式。结果表明经过5 次循环试验试样的 吸湿量符合F i c k 第二定律。随着加速老化循环的进行，试样的最大拉伸强度、断裂栽荷逐渐下降。在初期 迅速下降，到后期下降缓慢，趋于平稳，与吸湿量的增长呈反比。经过在紫外光照射，试样表面渐渐失去光 泽，由白色变成深棕色，树脂发生了光老化。试件的失效形式主要表现为纤维和基体的脱粘。 关键词：复合材料；循环加速老化；盐雾老化；紫外光老化：湿热老化 中图分类号：V 2 5 ；T G l 7 4 3 1 文献标志码：A 文章编号：1 6 7 4 5 5 9 0 ( 2 0 1 41 0 2 一0 0 3 6 0 4 S t u d yo nc o m p o s i t eo fa i r c r a f ts t r u c t u r e su n d e ra c c e l e r a t e da g e i n gc o n d i t i o n s 刀劢一h u i ，L I UK u o ，B A IY u n ，L I A N Gj i - y o n g ( 死删i nK e yL a b o r a t o r yo f C i v i lA i r c r a f iA i r w o r t h i n e s sa n dM a i n t e n a n c e ，C AU C ，T i 删i n3 0 0 3 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h r e ea c c e l e r a t e da g e i n gc o n d i t i o n so fs a l ts p r a y ，u l t r a v i o l e ta n dh y g r o t h e r m a la r et e s t e do nt h ec o m p o s i t eo f a i r c r a f ts t r u c t u r e s T h ec y c l ea c c e l e r a t i o ne x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sa r ee s t a b l i s h e d T h eh y g r o s c o p i cl a wo f d i f f e r e n ta c c e l e r a t e da g e i n gc y c l e si sa n a l y s i s e da n dt h et e n s i l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r es t u d i e d T h ef r a c t u r e m o d ea n df r a c t u r em o r p h o l o g ya r eo b s e r v e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh y g r o s c o p i cc a p a c i t ya f t e r5a c c e l e r a t e d a g e i n gc y c l e si na c c o r d a n c ew i t hF i c k ss e c o n dl a w W i t ht h ea c c e l e r a t e da g i n gc y c l ec a r r y i n go n t h e m a x i m u mt e n s i l es t r e n g t ha n dt h ef a i l u r em o d ea r eg r a d u a l l yd e c r e a s e d T h ed e s c e n tr a t ei sf a s ti nt h e b e g i n n i n ga n ds l o wi nt h el a t es t a g ea n df i n a l l ys t a b i l i z e d T h e ya r ei n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt om o i s t u r e a b s o r p t i o n A f t e rt h eu l t r a v i o l e tl i g h ti r r a d i a t i o nt h es a m p l es u r f a c ei sg r a d u a l l yl o s i n gi t sl u s t e r T h ec o l o u ri s c h a n g e df r o mw h i t et od a r kb r o w na n dt h er e s i ni sp h o t o a g i n g T h et y p e so ft h ef r a c t u r em a i n l yi n c l u d e d e b o n d i n gb e t w e e nf i b e ra n dm a t r i x K e yw o r d s ：c o m p o s i t em a t e r i a l s ；c y c l ea c c e l e r a t i o na g e i n g ；s a l ts p r a ya g e i n g ；u l t r a v i o l e ta g e i n g ；h y g r o t h e r m a la g e i n g 复合材料作为一种新型的材料已广泛应用于人 们的日常生活和工业领域。由于复合材料具有比强度 高、比刚度高，耐腐蚀、抗疲劳性能好、材料的可设计 性好等优点，已被广泛应用于航空航天领域f 1 1 。目前， 复合材料构件所占重量的百分比已成为飞机结构设 计先进性水平的重要指标之一。复合材料所应用的主 要部件有：整流包皮、副冀、发动机罩、阻力板、扰流 器、起落架舱门、水平和垂直尾翼、方向舵和升降舵及 其他主要及次要承力结构件等。 由于上述的广泛应用，复合材料结构的强度问题 成为研究者们的主要研究方向之一，并且复合材料结 构的损伤也受到广泛关注。飞机在服役过程中受到雨 雪、紫外光照、盐雾、湿热等环境的影响，这些因素都 能引起复合材料层合板的失效老化。复合材料层合板 的老化不仅对材料的性能有很大的影响，并且直接影 响飞机的安全性能。因此关注复合材料飞机结构件的 老化意义重大。 迄今为止，国内外学者对复合材料的老化行为进 行了大量研究，并对复合材料层合板分别进行盐雾、 紫外和湿热实验，取得了一些成果。李晓骏、陈新文 5 1 等人分别研究了复合材料在湿和热、氙气灯照射条件 下力学性能的变化。张建明、陈跃良 6 1 等人在“氙灯光 收稿日期：2 0 1 3 0 1 0 6 ；修回日期：2 0 1 3 0 3 0 4 基金项且：中国民航大学研究生科技创新基金项目( Y J S C X l 2 2 3 ) 作者简介：纪朝辉( 1 9 6 3 一) ，男，吉林松原人，教授，硕士，研究方向为材料表面工程 万方数据 第3 2 卷第2 期纪朝辉，刘阔，白云，等：飞机结构复合材料循环加速老化的研究 一3 7 一 照一加湿”循环试验条件下对材料表面状态和力学性 能进行了研究。但以往这些相关研究，大多是几种典 型老化实验分开进行，这样容易进行横向比较，得到 对材料寿命产生最大影响的环境因素，和飞机服役时 的复杂状况有所差异 7 - 1 1 】。 本文模拟民机在真实环境下的飞行状态，设计进 行循环加速老化试验，确立循环加速实验参数( 即加 速谱) 。即盐雾、紫外、湿热3 种加速老化方式循环进 行，更加接近现实中飞机结构件的服役情况。测试了 循环老化后试件的拉伸力学性能，通过扫描电子显微 镜( S E M ) 观察和分析了断裂的形式和断口的形貌。评 价民机复合材料结构在循环加速老化环境下的耐久 性，为飞机复合材料结构的应用和发展提供依据，具 有指导性作用。 1 实验部分 1 1 试验材料 预浸布采用美国C y t e c 公司生产的M X B7 7 0 1 1 5 8 1 一B 3 型的玻璃纤维预浸布，胶膜采用3 M 公司生 产的A F 一1 6 3 2 K ( K n i tc a r r i e r ) 型中温固化胶膜。使用 上述预浸布和胶膜制备试样，试样尺寸为2 5 0m l nx 1 5 m i l l ll n l r l ，共4 层。 1 2 试验仪器及设备 复合材料的老化作用，所采用的试验标准为G B T 1 6 5 8 5 1 9 9 6 试验标准。采用光照冷凝循环交替作用， 每次光照4h ，冷凝4h ，试验共进行2 4h 。 3 ) 湿热试验：主要模拟空气中水分对复合材料的 腐蚀作用，采用A S T MD 5 2 2 9 5 2 2 9 M 具体标准的规 定，设定实验温度为7 0 、湿度为8 5 以及试验时间 为2 4h 。 1 4 吸湿率测试 每一循环后测量试样的重量，通过测量质量的变 化可以得到实验过程中试样的吸湿量。计算方法如式 ( 1 ) 所示 脱= ( ( 形。一W d ) 1 0 0 ) 耽 ( 1 ) 其中：尬为吸湿量( ) ；W 。为t 时刻试样的质量( g ) ； 耽为原始试样的质量( g ) 。 1 5 力学性能测试 采用I N S T R O N5 5 9 8 型电子万能试验机，按照 A S T M3 0 3 9 标准对每一循环后的试样进行静力拉伸 试验，拉伸速度为2m r n m i n 。 1 6 扫描电子显微镜( S E M ) 测试 每一次循环老化后使用L E 0 1 5 3 0 V P 型扫描电子 显微镜观察拉伸试样的断面形貌。 2结果分析 1 ) Y W C 一0 1 0 盐雾腐蚀试验箱，温度误差范围 2 1 吸湿规律分析 0 5 0 C ： 2 ) Z N P 紫外光老化实验箱，温度误差范围0 5 ； 3 ) G D 丹L 1 0 0 湿热环境实验箱，温度误差范围l ； 相对湿度最大误差范围为2 ； 4 ) D H G 一9 0 31 型电热恒温鼓风干燥箱； 5 ) L E 0 1 5 3 0 V P 型扫描电子显微镜； 6 ) I N S T R O N5 5 9 8 型电子万能试验机； 7 ) S A R T O R I U SB S A 2 2 3 S 电子天平，其精确测量 至1m g 。 1 3 加速老化试验方法 首先使用恒温干燥箱将试样干燥至恒重( 即试样 质量变化低于2 ) ，然后对试样进行循环加速老化试 验，共进行5 次加速老化循环。加速老化试验采用如 下循环加速谱： 1 ) 中性盐雾试验：主要模拟海洋大气环境中盐雾 和潮湿环境对复合材料的老化作用，采用G B T 1 0 1 2 5 1 9 9 7 试验标准对涂层试样进行实验，每一循环 进行2 4 h 。 2 ) 紫外光老化试验：主要模拟太阳光中紫外线对 图1 为试样在经过5 次循