材料合板恒溫研究

1、材料合板恒溫研究     碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP)由于具有較高的比強度和比剛度，較好的可設(shè)計性和抗疲勞斷裂性能，已成為航空航天飛行器結(jié)構(gòu)件中的重要材料1。然而，不論是未增強的樹脂還是樹脂基復(fù)合材料都能從周圍環(huán)境中吸收水分，被吸入的水分可能引起材料的膨脹，特別是在較高溫度情況下，可能軟化和減弱基體和基體/纖維界面，因此吸濕行為對材料的力學(xué)性能有很大的危害2。了解碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的吸濕過程，確定材料的吸濕量和內(nèi)部水分分布，對研究材料的老化過程以及預(yù)測構(gòu)件的服役壽命極其重要。大量研究表明36，CFRP材料吸濕行為的主要機制是水分擴散過程，吸

2、濕過程主要受環(huán)境溫度和相對濕度的影響，其中材料的飽和吸濕量與環(huán)境的相對濕度有關(guān)，而擴散系數(shù)的變化則依賴環(huán)境溫度。ShenCH和SpringerGS7提出的一維Fick擴散模型在忽略側(cè)面吸濕的前提下，可用于根據(jù)實驗值求得擴散系數(shù)和吸濕動力學(xué)曲線。國內(nèi)外已有學(xué)者8，9使用有限元模擬軟件ABAQUS對CFRP薄板的吸濕行為進行模擬，模擬結(jié)果與實驗值吻合較好，驗證了ABAQUS軟件模擬纖維復(fù)合材料吸濕行為的可行性。由于復(fù)合材料層合板的各向異性特征，以及碳纖維不吸濕而基體吸濕，用傳統(tǒng)實驗方法確定材料的擴散率和飽和吸濕量周期較長，并且難以得到材料內(nèi)部的水分分布情況。因此，本研究根據(jù)ASTMD5229/D5

3、229M1992(2004)標準10對CFRP層合板T700/9916在70恒溫水浴和70相對濕度為98%，91%，84%恒溫恒濕環(huán)境箱中進行吸濕實驗。根據(jù)實驗結(jié)果，使用插值法和有限元模擬軟件ABAQUS算得擴散系數(shù)和飽和吸濕量，并對各濕度條件下材料的吸濕行為進行模擬，獲得吸濕動力學(xué)曲線以及水分分布情況。1實驗11材料實驗采用T700/9916碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料層合板，鋪層方式為+45/0/45/904S，纖維體積分數(shù)為65%。試樣尺寸為100mm×30mm×4mm，未采用ASTMD5229/D5229M1992(2004)標準推薦的試樣厚度，主要是為了研究在各表面均

4、參與吸濕情況下復(fù)合材料層合板的吸濕行為。12吸濕實驗本實驗過程參照ASTMD5229/D5229M1992(2004)標準聚合物基復(fù)合材料吸濕性能和浸潤平衡的標準實驗方法10。在進行吸濕實驗前，先將試樣放置于60烘箱(電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DGG-9076A)內(nèi)進行烘干到相對平衡干態(tài)(間隔24h的質(zhì)量變化小于001%)。并記錄烘干試樣質(zhì)量(Wb)，作為吸濕過程的基準質(zhì)量。將烘干后的試樣，分別放置于溫度為70的純凈水(電熱恒溫三用水箱，Cr42)和相對濕度為98%，91%，84%的環(huán)境箱(恒定濕熱實驗箱，SH010)中進行吸濕實驗。每隔24h將試樣取出，用濾紙擦干表面水分后，立即用電子天平(上海越

5、平科學(xué)儀器有限公司，F(xiàn)A2004B，精度001mg)稱重，記錄測量結(jié)果Wi。稱重后將試樣迅速放回環(huán)境箱中。使用式(1)計算和記錄每個時間間隔的相對質(zhì)量增量。當間隔24h的平均吸濕量的變化小于001%時，可認為材料達到有效吸濕平衡，記錄有效吸濕平衡量Mm。式中，Wi為i時刻試樣的質(zhì)量/g;Wb為吸濕前試樣的質(zhì)量/g;Mi為i時刻試樣的相對質(zhì)量增量/%。2實驗結(jié)果圖1為不同濕度條件下的吸濕曲線，其中每個點代表每組試樣的平均相對質(zhì)量增量?？梢钥闯?，各濕度條件下的吸濕曲線的變化規(guī)律相似，吸濕過程表現(xiàn)為兩個階段:第一階段，材料的吸濕速率較快，其相對質(zhì)量增量與時間的平方根呈線性增加關(guān)系;第二階段，材料的吸

6、濕速率明顯變緩，隨著時間的增加，吸濕量逐漸趨于平衡。這表明T700/9916材料的吸濕行為是Fick擴散過程。由于水浸實驗進行的時間較長，其相對質(zhì)量增量已趨于平衡。隨著相對濕度的增加，有效平衡吸濕量明顯增大，其中水浸組的有效吸濕平衡量遠大于其他三組。根據(jù)ShenCH和SpringerGS等人7的研究，假設(shè)材料內(nèi)部的溫度和擴散率恒定，并且試樣只從沿厚度方向的上下表面吸濕，其他側(cè)表面不吸濕。則擴散過程的相對質(zhì)量變化可由以下方程描述:式中，m表示任意時刻試樣的吸濕量/g;mm表示材料飽和吸濕量/g;mi表示吸濕前試樣內(nèi)的水分質(zhì)量/g;t表示時間/h;z表示z方向坐標軸;h表示試樣厚度/mm;Dz為沿

7、厚度方向的擴散率/(mm2/h)。將表1中的吸濕參數(shù)代入式(3)，可以得到理論吸濕量與時間的關(guān)系。圖2為98%相對濕度組的理論吸濕量與實驗數(shù)值。如圖所示，理論結(jié)果與實驗數(shù)值變化趨勢相似，然而理論結(jié)果整體上比實驗數(shù)值偏小。這是由于在式(3)的假設(shè)中忽略了側(cè)面吸濕的“邊緣”效應(yīng)，只關(guān)注從試樣上下表面進入的水分。而實際實驗中的試樣具有4mm的厚度，水分會從側(cè)面擴散進入試樣，因此，實驗數(shù)值比理論結(jié)果整體偏大。其他各組也出現(xiàn)相似情況，因此采用該公式無法較好地擬合本實驗結(jié)果。3有限元模擬31有限元分析模型采用有限元軟件ABAQUS的質(zhì)量擴散模塊進行計算。通過計算得到各個濕度條件下CFRP材料隨時間變化的相

8、對質(zhì)量增量，并對比吸濕實驗結(jié)果來驗證計算模型的可靠性。由于在實驗過程中試樣上下表面和側(cè)表面都會通過擴散吸收水分，因此不對有限元模型結(jié)構(gòu)進行簡化。試樣鋪層方式為+45/0/45/904S，為簡化計算，將方向相同的鋪層看作1個鋪層處理。網(wǎng)格劃分的單元類型為DC3D20，整個有限元模型的網(wǎng)格參數(shù)為:節(jié)點總數(shù)108397，單元總數(shù)240000。32有限元模擬吸濕參數(shù)的設(shè)定321吸濕參數(shù)的計算ABAQUS中質(zhì)量擴散模塊的控制方程是Fick方程的擴展形式，其表達式為式(4)。其中，D為擴散系數(shù);s為擴散物質(zhì)的溶解度系數(shù);為歸一化濃度，其表達式為=cs(c為擴散物質(zhì)的質(zhì)量濃度);J為擴散通量。對材料吸濕行為

9、的計算，需要確定材料的擴散系數(shù)和溶解度系數(shù)。復(fù)合材料為各向異性材料，因此在設(shè)定材料參數(shù)的時候，需要確定各鋪層的材料方向，并輸入沿纖維方向的擴散率D11，垂直纖維方向的擴散率D22和D1133，以及材料的溶解度s。擴散率D11，D22和D33與材料的纖維體積分數(shù)存在式(5)和式(6)關(guān)系7。溶解度s為材料中最大水分含量，可以理解為材料的飽和吸濕量。其中Vf為纖維體積分數(shù);Dr為基體的擴散率。由于水浸組的實驗進行時間較長，相對質(zhì)量增量已趨于平衡。取水浸組實驗數(shù)據(jù)進行模擬，以獲得材料的擴散率D11，D22和D33。其中，溶解度系數(shù)s=102。根據(jù)實驗值和一維Fick模型的計算結(jié)果假設(shè)一系列擴散率進行

10、試算，計算結(jié)果如圖3所示。對各組模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行方差分析，選取差值最小的一組為D11=00147mm2/h，D22=D33=00038mm2/h。模擬結(jié)果如圖4所示。由于擴散率僅隨溫度變化5，選用同一組擴散率對84%濕度的吸濕過程進行模擬。根據(jù)實驗結(jié)果選取一系列溶解度進行試算。計算結(jié)果如圖5所示。對各組模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行方差分析，選取差值最小的一組為s=065。模擬結(jié)果如圖6所示。322吸濕參數(shù)的確定在相同溫度下，對于暴露于濕空氣的材料，其飽和吸濕量與空氣的相對濕度之間的關(guān)系可以表示為7:式中，SRH代表濕空氣中材料的飽和吸濕量/%;S100%代表水浸時材料的飽和吸濕量/%;b為常數(shù)

11、;RH為空氣相對濕度/%。根據(jù)水浸組和相對濕度為84%組的計算結(jié)果，已經(jīng)知道其各自條件下材料的飽和吸濕量為102%和065%。根據(jù)式(7)可以計算得到常數(shù)b=264。再次通過式(7)可以計算相對濕度為91%和98%條件下的飽和吸濕量分別為0795%和0967%。33吸濕行為的有限元模擬將32節(jié)計算得到的擴散率和飽和吸濕量帶入模型中，分別計算相對濕度為98%和91%的吸濕曲線，結(jié)果如圖7所示。各組模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)擬合較好，驗證了吸濕參數(shù)的有效性。采用這種方法可以對該材料進行不同濕度下的模擬，并獲得長期的吸濕動力學(xué)曲線，彌補了實驗方法周期長的弊端。將不同條件下計算得到的飽和吸濕量與實驗得到的有效

12、吸濕平衡濃度比較，如表2，可以發(fā)現(xiàn)各組實驗值均比飽和吸濕量小。因為根據(jù)標準10進行的吸濕實驗僅要求間隔24h的相對質(zhì)量增量小于001%時即達到平衡，而實驗結(jié)果表明，達到該標準時，較低濕度條件下的吸濕曲線仍處于線性增加階段。這是由于本組實驗采用的試樣厚度較大，當達到標準中的有效吸濕平衡時，材料內(nèi)部的水分還未分布均勻，促進水分子擴散的濃度梯度仍然存在。因此，以后的實驗工作應(yīng)適當延長吸濕時間，以獲得更加有效的實驗參數(shù)。34有限元模擬結(jié)果采用有限元方法不僅可以通過短期實驗獲得材料長期的吸濕動力學(xué)曲線，還能得到材料內(nèi)部的水分分布情況。圖8為水浸組試樣在不同時刻的水分分布情況。直接接觸濕環(huán)境的材料表面在吸

13、濕初期就迅速達到飽和吸濕濃度。在不同的吸濕時刻，試樣截面由邊緣向中心的水分濃度場顏色逐漸變淺，表明水分濃度沿邊緣向內(nèi)部逐漸減少，這與MercierJ等人12，13的研究結(jié)果相似。隨時間的增加試樣內(nèi)部的水分濃度逐漸增大，這是水分子擴散的結(jié)果;當時間增加到1490h左右，水分子得到充分擴散，可以看出試樣截面已呈均勻的灰度，表明試樣內(nèi)部均達到飽和吸濕濃度，這時材料達到平衡吸濕狀態(tài)。圖9為t=1490h時不同吸濕條件下試樣內(nèi)部的水分分布情況。此時水浸組試樣已達到吸濕平衡，而其他吸濕條件的試樣截面仍然呈現(xiàn)不均勻灰度，表明還未達到平衡吸濕。從圖中可以看出其他三組試樣表面都已達到各自條件下的飽和吸濕濃度，分別為0967%，0795%和065%，這是試樣表面直接接觸濕環(huán)境的結(jié)果;而由于水分子擴散不充分，試樣中間的濃度仍較小，遠沒有達到飽和吸濕狀態(tài)。4結(jié)論(1)根據(jù)ASTMD5229/D5229M1992(2004)標準對T700/9916復(fù)合材料層合板在相同溫度不同濕度條件下進行吸濕實驗，實驗得到的有效吸濕平衡濃度比材料的飽和吸濕量小，較低濕度條件下的實驗數(shù)據(jù)仍處于線性增加段。(2)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)