湿热环境对蜂窝夹层复合材料性能的影响

湿热环境对蜂窝夹层复合材料性能的影响

侯建民

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：科学技术的发展，复合材料和复合结构在各种应用中发挥着不可替代的作用。在这些结构中,夹层结构复合材料以其具备的一系列传统材料所不具备的优点而备受航空、航天界的青睐。夹层结构复合材料具有密度小、导热系数低、比强度和比刚度高等特点。因此在航空工业中,夹层结构复合材料已成功应用于飞机的结构件,如机翼、机身、尾翼和雷达罩等部位。

关键词：蜂窝夹层复合材料；湿热；力学性能；

针对不同类型的Nomex蜂窝夹层复合材料进行湿热处理,分别测定不同材料的吸湿曲线与材料处理前后的力学性能与介电性能。结果表明:不同材料具有不同的吸湿特性。湿热环境会对夹层复合材料试样的面板强度、芯材剪切与压缩强度造成不同程度的负面影响,通过比较,在力学性能方面,两种面板材料的耐湿热性能相似,而环氧/NH-1-72材料的芯材具有更好的耐湿热性能。同时,湿热环境会对不同材料的介电性能产生不同的影响,其中,环氧/NH-1-48材料因其具有的最低的芯材密度,而具有最好的介电性能耐湿热性。

一、湿热环境下材料的吸湿特点

实验中,对不同材料进行70 e,85%相对湿度环境的湿热处理,经过前期对吸湿曲线的测定,湿热处理192h后不同试样均已达到稳定的饱和吸湿状态,因此,对不同试样均进行了192h的湿热处理,由于面板及芯材较夹层材料会更快的达到吸湿饱和,因此,对其进行了144h的湿热处理,并测定吸湿曲线。随着湿热处理时间的延长,夹层材料的面板,芯材与整体的吸湿率均不断增加。其中,芯材的吸湿过程可大致分为两个阶段。第一阶段应为,在湿热环境下,水汽透过面板而存在于材料内部空隙中,一段时间后达到饱和,随着湿热时间的增加,材料内部的水汽可能与材料本身发生了进一步的反应,导致材料的吸湿量继续增加。由于Nom ex蜂窝中含有的酰胺基具有很强的极性,使其极易吸水,在最初的12h里,蜂窝芯材的增重非常明显,即很快的吸收了大量的水汽,这部分约占整个吸湿量的约80%。与芯材相比,面板在144h的湿热处理过程中仅出现一个增重阶段,饱和吸湿率约为7.5%,同时也需要更多的时间(约60h)达到饱和吸湿状态,这是由于夹层材料面板为环氧树脂基体复合材料,其在湿热过程中,材料本身受水汽的影响较小。由此可见,在蜂窝夹层复合材料中,面板起到的是阻止水汽进入夹层内部与芯材相接触的作用,而一旦水汽进入材料内部,芯材是很容易吸收水汽的。在湿热处理的初始阶段,面板的吸湿增重率大于夹层材料,这是由于整个夹层材料此时主要由是面板部分在吸湿增重,而芯材并未受到很大的影响,此时,夹层材料的饱和吸湿率为面板的吸湿增重量除以夹层材料的整体重量,因此,面板的吸湿率大于夹层材料。随着湿热时间的延长,芯材开始吸湿,而此时面板吸湿趋于饱和,速率下降,夹层材料的吸湿增重为面板与芯材共同的吸湿增重量,因此,此时夹层材料的吸湿率有一的上升,超过了面板的吸湿率。在大约132h后,1号夹层材料达到吸湿饱和,这表明整个材料的饱和吸湿过程并不是面板与芯材吸湿过程的简单加合,同时,相关文献指出,N omex蜂窝的吸湿量与其所处环境的相对湿度有很大关系的,而在蜂窝夹层材料中,由于蜂窝芯材一直处于面板的保护中,因此,其所处的环境与实验设定湿热环境,即85%RH并不完全一致。因此,面板对整个蜂窝夹层结构复合材料的耐湿热性起到很大的作用。2号材料的吸湿增重率-时间曲线与1号具有相似的趋势,其芯材的吸湿速率与饱和吸湿量也均大于面板。2号夹层材料的芯材在大约48h后达到饱和吸湿状态,其饱和吸湿率约为16.5%,面板在大约60h后达到吸湿平衡,饱和吸湿率为7.6%。与1号材料相比,2号材料的芯材饱和吸湿率较大,而面板的饱和吸湿率相似。对于2号材料,与1号相似,当湿热处理进行到一定程度时,夹层材料的吸湿率开始超过面板材料,表明此时材料内部环境已经能够使芯材产生一定程度上的吸湿了,即对于夹层材料来说,芯材吸湿所占的比重已经超过了面板。2号夹层材料的饱和吸湿率约为10.4%,略高于1号材料的9.8%,这主要来源于2号材料更高的芯材吸湿率。3号材料所采用的湿热条件与1,2号材料相同,其芯材密度为48g/m3,小于2号的72g/m3,面板与2号材料相同。3号材料的芯材饱和吸湿率约为81 2%,低于2号材料的饱和吸湿率,这是由于3号材料具有更低的芯材密度,这使其在相同的湿热环境下的吸湿量更低。与1,2号材料相似,3号材料也是在湿热处理一段时间后,夹层材料的吸湿率超过面板的吸湿率,这表明3号材料的面板也只是在有限的时间内能够对其芯材起到一定的保护作用。因此,由不同材料的吸湿增重率-时间曲线可见,在夹层材料中,面板会对芯材起到一定的保护作用,是使得材料内部的湿度低于外部设定湿度,但是随着湿热时间的延长,材料内部湿度不断增加,面板逐渐失去对芯材的保护作用,芯材开始吸湿,由于不同的芯材的吸湿速率不同,相同的面板材料对不同芯材的保护效果不同。

二、湿热环境对材料力学性能的影响

湿热环境对不同材料的面板强度均会产生较明显的负面影响。经过湿热处理后,1号材料的面板强度由130.99M Pa下降为79.36M Pa,强度保持率约为60.59%。而2号材料的面板强度由991 53MPa下降到了64.55M Pa,强度保持率约为641 85%。由实验结果可见,湿热环境会对夹层材料的面板强度产生很大的负面影响。而仅从面板强度保持率上来比较,2号材料的耐湿热性略高于1号材料。湿热处理后,1号材料的芯材剪切强度由3.23M Pa降低到了2.06M Pa,其强度保持率约为63.71%。与1号材料相比,2号材料的强度保持率有一定的提高,为78.92%。由于1号与2号材料的饱和吸湿率相差不大,因此,这表明湿热环境对2号材料芯材剪切强度的负面影响要小于1号材料。由于2号材料的芯材密度大于3号材料,因此,2号材料的干态芯材剪切强度为2.61M Pa大于3号材料的21 02MPa。由吸湿增重实验结果可见,3号材料的饱和吸湿率低于2号材料,而在芯材剪切强度方面,3号材料的强度保持率约为66.33%,低于2号材料781 92%,这表明湿热环境对较低芯材密度的夹层复合材料的芯材剪切强度有更大的负面影响。湿热环境对不同材料的芯材压缩强度的影响表现出与对芯材剪切强度相似的趋势,即与1号材料相比,2,3号具有更好的湿热处理后的强度保持率。特别的,尽管3号材料的芯材密度低于1号材料,但是其强度保持率801 71%远高于1号的601 29%,这说明,较高的饱和吸湿率并不代表材料受湿热环境的影响更加严重。在本研究中,尽管1号材料的饱和吸湿率略低于2号材料,但从芯材力学性能(剪切,压缩)的保持率上,2号材料的耐湿热性能更好,即对于2号材料,更多的水汽集中于材料内部空隙中,而不是与芯材发生反应,影响其力学性能,因此,其湿热处理后的芯材力学性能保持率更高。

总之，湿热环境对蜂窝夹层复合材料的力学性能会产生较大的负面影响,经过对不同材料体系的对比,两种面板材料的耐湿热性能相似。2号材料芯材的耐湿热性要好于1号材料,同时,相同材料体系,具有较低密度的芯材湿热处理后的强度保持率较低,即更容易受到湿热环境影响。

参考文献：

[1]颜艳.现代飞机主要用材料.2018.

[2]李研,湿热环境对蜂窝夹层复合材料性能的影响.2019.