混杂纤维复合材料吸湿行为研究.pdf

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1、嚣I 2 卷第1 2 期 1 9 9 1年 1 2 月 航空学报 ACTA AERON AUTI CA ET ASTR ONAUTI CA SI NI CA Vo 1 I 2 l b i De cI 9 9 I 混杂纤维复合材料吸湿行为研究 北京航空航 天大学 张佐光宋焕 成李宏运 M 0l n J RE ABS oR noN CHARACTERl STI CS OF HYBRI D COM sl TES B e i j i n g Un i gr s i A r o n a u t4 c s a n d A s l r m mu J i c g Zh an g Zu o gu a ng，So

2、 ng I ua nc he ng a n d Li I o ng yun 摘要本文采用S o T水浸的方普，研究 了不同类型混杂复合材科层压扳的吸湿 行为，拽 到描述强杂复合材料暖湿规律方程。同时，从理论上对混杂复合材料的平衡吸淀量及湿扩 散系 数进行 了分析，建立了数学表达式，理论与实验较好吻合。关键词复音材料，混杂复合材料，吸涅，环境效应，扩散 Ab s h r a et Fi b r e hy b r i d o o mp os i t e a r。g 越 g m o r e a n d mo r e a P p壮c S o th e f e c 抽o f m o i l-a x e

3、o n h y b r i d e o m p i t e a a r e wi d y c 锄 c 锄e d Th e m oi s t u r e a b s or p t i o n eha rae t e rl s t l cs i s i mpor t an t be c aus e i t i s t he bas i s of in ve e gat i ng t he m oi s t ure e f e c t s Hyb r i d c omp os i t e s ha ve s e v e r a l s t r u c t t r e p a r a ms t ha

4、t t he s i n gl e mp 0 6 i t e s ha ve n t，s u c h a 3 hy b r i d r a t i o(HR)Hy br i d i n t e r f e e n u mh a r(丑I N)a n d s e qu en c e o f l a y u p(S L)Th e d i f f u s i o n o f wa t e r i n hy b r i d c o m p os i t e m u s t be a f f e c t e d b y t he s e p a r a m e t e r S in g I e (g l

5、 a s，c a r b o n a n d k wl a r)a n d h y b r i d(g l a s s c a r b o n，c h o n k 舯1 w i t h d i f f e r e n t 瑕 J I-1 I N a n d S L)n l d i r e c t l o n a l c o mpo s i t e s wi t h t w o o f I a 埘 x 髑(e p o x y a n d BMI)a r e f a b r i c a t e d，The we i g h t c ha n e of th e e ma r t i a l s w

6、i I x t i me a t e s t e d l l l l d e B O wa t inma e r s i o n c on di t i on T he di f f u s i on c o off i c i e t(p)a n d e q ui l i i u m mo l s t e n t e n t(Mm)a r e o b t a i ned f r o m t h e t e s t s I t i s f o u n d t ha t t he wat e r di f f u s i o n i n s i n gl e a n d h y br i d o

7、 o mpo s l t v s s a t i s f i e s t he Fi c dp r o c 8 T he Dz 枷斟 _ va l u e s o f h y b r i d c o mpo s i t es a re be亡 we m two s i ngl e compo s t es and i I re a日 e wnh t he i nc r ea se of t he nt 柏 t of t he s i ngl e c mpo s i t e wi c h has A hi ghD l 越 M va l u The i nc r eas in g of t he

8、H m o f h y b r i d c o mpo s t e s d。c r s e s t he Dx bu t d o e s a t a f f e c t t h e斟 m o bv i o us I y The 3 e q I l e n c e o f I a u p d o e 柚 t a f f e c t e i t he r 工 M I n ad di t i on，t he s t o p by-s t e p m ode l an d t her m al m odel a re deve l ope d t o t i m a t e t he仉a n d M

9、m o f hy br i d c o mpo s i t e Th e e e t l ms t e d v a l u e s a r e i n g o o d a gr e e me n t wi t h t he expe r i m t aone s Key r com pos i t e sJ hybr i d，abs or pt i on，en vi r onm e nt al e c t J di f f us i on 一、前 言 混杂复合材料 因为 是 由两种或两 种以 上纤维增强，必 然存 在两 种或 两种以上 的界 面。l 驰 0 年 9月1 2日收 到，1 年 3月

10、2 5日收到 修改稿 维普资讯 http:/ 嚣I 2 期 张佐光等，混杂纤维复台材料吸温行为研究 8 7 7 这些界面相对比例及分散程度的不 同，对材料的吸湿行为将产生不同的效应。本文采用碳 纤维一 玻璃纤维(C G)、碳纤维 芳纶(C A)混杂，分别增强两种不同类型的 树脂基俸、制作 了多种混杂 结构参数(混杂 比、界面 数、铺层顺 序等)不同 的屡 压 板(如表 I)，测 试其在8 o 蒸馏水中不同时间下的吸湿量，并对描述材料吸湿行为的主要参数：平衡暖湿 量及扩散 系数进行了理论分析，_ 建立了各自的数学表述式，获得的理论估算与实涮数据鞍 为 一 致。表 1 混杂纤维复合材料铺层形式与参

11、数 试样编号 铺层形式 混杂比(F C E)，界面数 Q c a-1 (c G5)s l 7 3 2 Q-c G一 2 c 2 c 3 4 3 2 Q C G-E C G3 3 s 5 1 1 2 (一 c G一 4 c d a s 6 7 6 2 ()一 c G一 5 (c G)，s 5 1 1 1 O Q-c a一 6 啦 c do|c|G s 5 1 1 8 o-c o (G i，c 置，G c s 5 1 1 6 w C G-1 C G d s 5 I 7 2 W C G-2 G j c t s 5 1 7 2 w-c 一 3 (c a)d 5 1 7 l 4 W-C G一 4 (G

12、c)j 5 1 】4 w c 一 1 (c A)d 4 8 2 I W C，一 2 C A C d s 8 2 2 W C A一 3 (c A h 8 2 2 注，1)q_ q 如 9 u基体(双马来酰亚胺型)，w L R l 基体(飙酚 环氧墅)2)Vt=船 6 2 。二、混 杂复合材料湿扩散过程描述 图 l示出测得的吸湿曲线。无论哪种混杂复台材料层压板的吸湿曲线形状基本相似，在吸湿初 期均近似于直线，吸湿 中期 呈非线性 变化，而在 后期均趋于平衡 值。这种规律 与 l；i c k i t n 扩散相似。故对实铡结果进行l i c k i a n 扩散检验。若是F i c ld a n扩散

13、，则应满足下 式c”G=一 告 式中GF i c a n 扩散中的吸湿度，一无量纲时间。甩式(1)作图，可以得 ll F i c k i a n 扩散的标准分布曲线(如图 2中的实线)。同时对实验 测得的吸湿曲线进行适当处理，可求得试样的实际平衡吸湿量 和表观扩散系数D【1 J”。园此可以得 到实验 的 G与 G=(一MD(M 一 )(2)式 中、凹 一 分别为试样某时 刻及 初始吸湿量。f =D,d h。(3)式中Dr 试样厚度方向的扩散系数；z 一吸湿时间j 试样厚度。维普资讯 http:/ 航空学报 第l 2 卷 鼍 刊 时 坷 (h )s in,-(h (占)图 1 混杂复合材料吸温曲

14、线)wc G 型试样()wc A 型试样 b 础 蚶 孽 无嚣纲时阿 r ()图 2 F i e Ma n 标准分布曲线与实验值比较)Qc G 型试样J(6)W-C F I W-A FRP、wc，A型试样 如果 只考 虑厚度方向(主吸湿面)的扩散，则应 作边缘修正，即 D与D 有下 歹 H 关系 D=D(1+工+6)(4)将实验得 到的各种试样 的G、f 值示于图 2，Gf 实验 点均在Fi c k i a n标 准分 布曲线的附 近，吸 湿过程基本符 合 F i c k i a n扩散 过程。因此，混杂复 合材 料吸 湿 过 程 中任一 时刻材 料内部含湿浓度分布及总的吸湿量可由式(5)、式

15、(6)描述 鲁=量 面 s n e x r 警 (5)式中c 一含湿浓度m、一分另 lJ 表示最大及初始 M=G(一尬)+M (6)维普资讯 http:/ 第1 2 期 张佐光等t混杂纤维复各材料!l t i l il 行为研究 墙 伯 三、混 杂复合材料平衡吸湿量估算 设混杂复合材料 由组分 1 复合材料与组分 2 复合材料组成，且 当混杂复合材料达到吸 湿平衡时，总的吸湿质量为，两组分复合材料吸湿质量分别为 及，则 佛 佛I+蝌2 ()根据平衡吸湿量的定义，混杂复合材料的平衡吸温量可表示为=警+(8)式中H 一千态时试样重量。设千态混杂复合材料试样 中组分 1 与组分 2复 合 材 料的重

16、 量分别为l 与Wm式(8)可写 成 峨=铬 铬 峨(9)式中 ，；一分别为组分 1与组分 2 复合材料的平衡 吸 湿 量|、W,-分别为组 分 l与组分 2 复合材料的重量百分数。将式(9)计算值列于表 2，可看出绝大多数试样 的计算值与实验值比较吻合。说明混杂复合材料的平衡吸湿量可以通过各组分复合材料的 平衡 吸湿量 及其重量百分含 量来估 算。表 2 混杂复台材料平衡嚷噩的计算值与实验位比较()试 撑 编 号 计 算 值 实 验 值 试 样 编 号 计 算 值 实 验 谴 Q c c一 1 I o 3 1 o 4 w-c G一 1 O 9 2 o 9 1 Q o a一 2 1 O 7 1

17、 1 O w c c-O 9 2 O 9 1 0一 c c一 3 】1 I I I 1 2 w c G一 3 o 9 2 o 7 1 Q c c一 1 1 5 I _ 1 8 w-c G一 4 o 9 2 o 8 o 一 c o一 5 】1 1 1 1 3 w-c，一 1 1 5 4 1 8 6 Q ci c一 6 】1 1 I 1 3 w-c A一 2 1 5 4 1 7 3 q c G-7 1 1 1 1 1 3 w c A一 3 1 5 4 1 7 3 四、混杂复合材料扩散 系数估算 文中采用两种模型对扩散系数进行了估算。1 逐 步扩散 模型 由于混杂复合材料基本符合l i c k i

18、a n扩散过程，在扩散的初期，材料的扩散系数可近 似表示 为 v-D-7：=皤(1 0)假设扩散是逐步进行的，当第一层(或铺层li l t吸湿量达到某 一值 A (0 1)时，第二 层(或铺层组)才开始吸 湿。同理，当第二层(或铺层组)达到：时，才能往 下 一层(或铺层组)开始扩散，以此方式类推。现以两种组分不同的复合材料铺层(或铺层 组)的混杂 复台材料 为例，通过 图 3求扩散 系数。由图 3可知 了=十 i(1 1 7 维普资讯 http:/ B5 8 0 航空学报 特1 2 畚 因为=，并 注意 式(1 0)的关系，所 以有=甏 同 理：丝!：v D 吐 那 么 一 竿(+)将式(1

19、4)代入式(1 0)整理得、=+等 面=_ 一 面 i 面 百 因 =，掣=V z 因 此 1 VI 2 式中n-、D 一分别为组分 1与组分 2 复合材料沿厚度方向的 扩 散 系 数I 别为组分 1 与组分 2 复合材料的体积百分含量。式 06)为逐步扩散模型得到的扩散系数表达式。_ 1 0 -。一。-。一(1 2)(1 3)(1 4)(1 5)(1 6)、2 分 围 3逐 步扩 散模 型 示意 图 2 热模型 S p r i n g e r G s。)年 _J 月 j 图 4 和式(1 7)计算了单一纤维复合材料的扩散 系数。鲁=(一 音)+-af：d,m，式中D，、D I 一分别为基体与

20、纤维的扩散 系数，其它符号见图 4。在 S p r i n g e r G S热模型的基础上，本文建立混杂复台材料的 热模型，如图 5所示其 扩散 系数表达式为=(一 器)+=整理褥 维普资讯 http:/ 第l 2 期 张佐光等：混杂纤维复合材料 暖涅行为研究 1一Vl l V2 ID,l 。，I 基体 ，l 20 (1 9)组 器 分 r 图 4 s p 血 g e r 热模型基本单元 图 5 混杂复台材料热模型基本单元 3 扩散系敷 的界面效应修 正 实验表明，组 成及共比例相同的混杂复合材料的扩散系数由于界面数 的 不 同 而有差 异。因此需对逐步扩散模型和热模型求出的扩散系数进行界面

21、效应修正。即 D I (+)(2 0)帕 (+)式 中)一 界面修正 系数。通过对实验值线性回归分析，求得界面修正系数为)一1 0 3-0 0 帆(为 界面 数)(2 2)修正后的混杂复合材料扩教系数对逐步扩教模型为式(2 3)，热模型为式(2 0 钏 o s o-(+)，衰 3 扩散幕蠡骨算值与实验位比较(|t h)试 棒 糖 号 I 实 验 值 1 逐步扩散模型计算值 热揍型计葬憧 Q C G-1 2 0 9 x 1 0 a 1 9 4 xl 0 1 0 2 x1 0。3 Q c c-=1 7 3 x 1 0。3 1 7 5 x1 0 1，7 3 x 1 0。3 q c G-1 5 8 x

22、1 O-4 1 6 1 xl 0。3 1 5 8 x1 O Q c，G一|1 d 1 xl O。s 1|B x1 O-3 1 d 5 xl O。0 Q ct e-s 1 1|x1 0。3 1 2 B x1 0。1 2 8 x1 0。3 Q c G-1 5 5 x1 0。1 3 9 x1 0 1 3 8 xl O 0 维普资讯 http:/ 航空学报 第l 2 卷=n 瑚 一 o o o,o (+)(2 4)4 扩散系数的计算值与实验位比较 由式(2 3)与式(2 4 3计算得到的扩散系数列于表 3。两种模型估算的扩散系数十分 相近，与实验值也 相吻合，误差 一般 小于 1 0 。五、结 论 1

23、 混杂复合材料 的吸湿过程可用Fi c k i a n 扩散过程 来描 述J 2 混杂复合材料的平衡吸湿量可用重量分数的混合定律估算，界面数对其影响较小，3 混 杂复合材料层压板厚 度方向的扩散 系数与组分 复合 材 料的 相应扩散 系数、混杂 比、界面数有关，并可采用式(2 3)或式(2 4)进行倍算，结果与实验值近似。参考文献 1 n c H，S p r i n g e r G s n 丑 n d D亡|0 _姗o f c哪 p 砷c M 酬j，J c咖 p 0 I t i 0，1 9 6 J 1 0 2 2 Tj|i s w-co 巾p 嘴i 弛 血 n-l c h 沁 ，Amc r=曲F o re t c 血 I|L=5 o r t o r y，1 9 8 8 J Da y t o n 1 6-1 l 8 3 印 r i r I g e T G s En T i 巾D 士 n c n t Ef f。c 臼 彻 Co mp o s i t e a t c r i=l=T唧h 肿 m p,t|i t k i ff C o mp my，1 9 8 1 J U S ，7 3|维普资讯 http:/