復(fù)合材料的腐蝕/老化機理飛機結(jié)構(gòu)腐蝕與防護引入碳纖維復(fù)合材料因輕質(zhì)、高模量、高強度等特性，在軍用飛機制造業(yè)中占據(jù)重要地位。這種材料廣泛用于飛機殼體、機翼、機架、橫梁、阻流板、尾翼舵、起落架、螺旋槳、發(fā)動機艙門等部件，顯著減輕整機結(jié)構(gòu)重量，改善飛機可靠性和維修性。碳纖維復(fù)合材料通過在有機樹脂基體中添加增強纖維制成，通?；w為環(huán)氧樹脂。因其高強度質(zhì)量比和硬度，已成為航空領(lǐng)域的重要材料。請同學(xué)們思考復(fù)合材料失效機理？/CONTENTS目錄復(fù)合材料老化降質(zhì)機理01濕熱降質(zhì)機理02復(fù)合材料老化降質(zhì)機理PART01PMC主要由纖維、纖維與基體的界面以及樹脂基體三個核心要素構(gòu)成。一、復(fù)合材料老化降質(zhì)機理（一）碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（PMC）經(jīng)過長時間的老化過程，PMC的主要設(shè)計性能，如剛度、強度及疲勞壽命等，均會發(fā)生變化。這些性能的變化與樹脂基體力學(xué)性能的演變緊密相關(guān)，而與碳纖維的影響相對較小。因此，在多種環(huán)境條件下，樹脂基體性能的變化成為決定PMC強度降低或變化的關(guān)鍵因素。一、復(fù)合材料老化降質(zhì)機理（二）樹脂老化降質(zhì)樹脂聚合物在作為PMC基體時，其性能在環(huán)境影響下所發(fā)生的變化被稱為樹脂老化降質(zhì)。這種老化降質(zhì)的過程涉及多種機理，主要包括化學(xué)老化、物理老化和機械老化。這些老化機制在樹脂性能退化過程中起著至關(guān)重要的作用，需要我們在實際應(yīng)用和研究中給予充分關(guān)注和考慮。一、復(fù)合材料老化降質(zhì)機理（三）化學(xué)老化化學(xué)老化是指樹脂聚合物鏈發(fā)生不可逆變化的過程，主要表現(xiàn)為交聯(lián)和鏈降解。其降質(zhì)機理涉及熱氧化、熱和水解等多個方面。在PMC的正常使用溫度范圍內(nèi)（20℃至176℃），交聯(lián)和氧化是主導(dǎo)因素。然而，當使用溫度過高或時間過長時，熱氧化的影響將變得尤為重要。這一過程導(dǎo)致交聯(lián)度增加，當交聯(lián)度達到一定程度時，將提高有機玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，進而對該材料的物理性能產(chǎn)生顯著影響。一、復(fù)合材料老化降質(zhì)機理（四）物理老化物理老化定義樹脂聚合物在玻璃態(tài)范圍內(nèi)，其模量、強度、延展性因時效而發(fā)生的顯著變化。樹脂聚合物處在低于其轉(zhuǎn)變溫度的環(huán)境溫度下時，材料因趨于熱力學(xué)平衡而發(fā)生物理老化。物理老化的特點材料的熵、焓和自由體積發(fā)生變化，且體積的變化是溫度的函數(shù)。體積—溫度曲線的斜率依賴于材料的降溫或升溫速率。熵、焓和自由體積的變化將引起力學(xué)性能的變化。環(huán)境溫度在轉(zhuǎn)變溫度之下，若材料處于恒溫狀態(tài)，隨著時間歷程的增長，物理老化表現(xiàn)在材料的體積會連續(xù)而緩慢的減小。這種現(xiàn)象發(fā)生的原因是材料的體積總是趨于一種理想的平衡狀態(tài)（環(huán)境溫度在轉(zhuǎn)變溫度以上時這種響應(yīng)是瞬時發(fā)生的）。一、復(fù)合材料老化降質(zhì)機理（四）物理老化由于絕大多復(fù)合材料在玻璃態(tài)范圍內(nèi)使用，所以物理老化對使用中的復(fù)合材料的耐久性有巨大的影響。對所有玻璃態(tài)的聚合物將其加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上然后快速冷卻，其物理老化是可逆的。由于熱固性材料不具備熱可逆性，可以推測影響它交聯(lián)度和鏈降解的溫度有提高的趨勢。實際使用中的平均溫度和使用期內(nèi)的熱歷程對物理老化的速率有強烈的影響。一、復(fù)合材料老化降質(zhì)機理（五）機械老化機械老化降質(zhì)是一個宏觀可見且不可逆的過程。其機理主要包括基體開裂、分層、界面降質(zhì)、纖維斷裂以及非彈性變形，這些都對工程的剛度和強度等特性產(chǎn)生直接影響。一、復(fù)合材料老化降質(zhì)機理（五）機械老化蠕變、塑性變形和應(yīng)力松弛等現(xiàn)象均屬于機械老化的范疇。當材料內(nèi)部應(yīng)力超過一定水平，其響應(yīng)將超出彈性范圍而進入塑性狀態(tài)，這一應(yīng)力水平被定義為彈性極限。在應(yīng)力去除后，仍然存在的應(yīng)變被稱為非彈性應(yīng)變或塑性應(yīng)變。盡管塑性變形過程中會伴隨隨時間變化的應(yīng)變，但塑性應(yīng)變本身是不隨時間改變的。蠕變則是指材料在恒定應(yīng)力下隨時間發(fā)生的連續(xù)變形。一、復(fù)合材料老化降質(zhì)機理（五）機械老化通常由以下幾個要素組成：初始蠕變階段蠕變速率逐漸減??；恒定蠕變階段蠕變速率保持穩(wěn)定；加速蠕變階段在材料破壞前蠕變速率逐漸增大。應(yīng)力松弛則是指材料在恒定應(yīng)變條件下應(yīng)力隨時間逐漸減小的過程，最終應(yīng)力會趨于一個穩(wěn)定值。一、復(fù)合材料老化降質(zhì)機理（五）機械老化通常由以下幾個要素組成：初始蠕變階段蠕變速率逐漸減??；恒定蠕變階段蠕變速率保持穩(wěn)定；加速蠕變階段在材料破壞前蠕變速率逐漸增大。值得注意的是，在某些情況下，機械降質(zhì)可能是在化學(xué)老化和物理老化改變聚合物特性之后才變得顯著的。例如，對于熱固性材料，若基體經(jīng)常沿曝光面或邊緣開裂，其熱氧化穩(wěn)定性將成為一個關(guān)鍵問題。一旦裂紋產(chǎn)生，它們將成為機械載荷作用下裂紋擴展的起點，隨著裂紋的增長，新的裂紋為熱固性材料提供了更多的表面積，進而可能成為新裂紋的起點。濕熱降質(zhì)機理PART02二、濕熱降質(zhì)機理（一）濕熱對基體的作用機理基體承載了復(fù)合材料絕大部分的吸濕量，其耐濕熱性能很大程度上反映了復(fù)合材料的耐濕熱性。濕熱對基體的作用機理主要有以下4個方面：水滲入聚合物基體中，使高分子鏈之間的距離增大，剛性基團活性增強，基體發(fā)生溶脹，進而產(chǎn)生增塑效應(yīng)。溫度升高，聚合物基體鏈段松弛運動加劇，分子之間作用力減弱，加速形成分子空隙，水向基體擴散能力增強，導(dǎo)致材料的吸濕速率加大。水向基體的吸濕擴散，由此產(chǎn)生的滲透壓使基體內(nèi)部產(chǎn)生新裂紋、微小裂縫或其他類型的形態(tài)變化，裂紋的擴散進一步增大吸濕量，甚至使基體破裂。高溫下水與基體中的酰膠基、醚鍵、氯基等親水基團發(fā)生水解反應(yīng)，導(dǎo)致斷鏈和解交聯(lián)二、濕熱降質(zhì)機理（二）濕熱對界面的作用機理01基體吸水溶脹與纖維吸濕量不匹配，導(dǎo)致界面處剪應(yīng)力和裂紋產(chǎn)生，界面結(jié)合力減弱。02水使界面區(qū)基體和纖維水解，降低界面結(jié)合力。03高溫下，纖維與聚合物基體熱脹系數(shù)差異導(dǎo)致界面內(nèi)應(yīng)力形成。04水滲入界面微裂紋，使其擴展，減弱纖維與基體間的粘接力。復(fù)合材料的界面是微小區(qū)域，連接基體與增強物，對材料性能有關(guān)鍵作用。濕熱環(huán)境對界面有破壞作用，具體表現(xiàn)為：二、濕熱降質(zhì)機理（三）濕熱對纖維的作用機理在微觀層面，增強纖維在成型過程中會出現(xiàn)多種缺陷，如結(jié)構(gòu)不均、直徑變化、微孔、裂縫或溝槽、氣孔和雜質(zhì)等。在濕熱環(huán)境下，水分通過吸附作用滲透到纖維缺陷中，沿著微裂紋迅速擴散，促進微裂紋生長，破壞纖維表面結(jié)構(gòu)。在幾種常見的聚合物基復(fù)合材料增強纖維中，碳纖維的耐水性最佳，玻璃纖維次之，芳綸纖維最差。玻璃纖維作為增強體時，水分會對其產(chǎn)生化學(xué)作用，破壞其結(jié)構(gòu)。