增强体对身体的影响

增强体作为复合材料的支撑结构，承担大部分载荷，因此复合材料在热氧环境下的性能变化与增强体本身的性能息息相关，决定增强体的因素有增强纤维、纤维体积含量、纤维取向、增强体结构等几个方面。

2.3.3.1　增强纤维的影响

增强纤维作为树脂基复合材料中的主要承力部分，其在热氧环境中的表现对纤维增强树脂基复合材料的热氧稳定性有很大的影响。因为纤维的氧化不但会造成自身力学性能的下降，而且还会使纤维与树脂基体之间产生裂纹，造成界面性能下降，最终导致复合材料整体力学性能的下降。对于常用的碳纤维而言，一般纤维含氮量越高，耐高温氧化性能就越差，此外PAN基碳纤维里的化学结合氮也是促进氧化的重要因素。此外，用模量高的纤维增强的树脂基复合材料的耐热氧老化能力更强。这是因为纤维/基体界面的强度会随着纤维杨氏模量的增加而增加，在老化时能够有效地抵抗界面氧化。

纤维表面条件对纤维增强树脂基复合材料的热氧老化性能也有很大影响，比如含钠和钾等污垢物多的石墨纤维比碱金属含量低的石墨纤维更容易被氧化。此外，纤维在出厂前会进行表面处理即上浆，目的是在纤维表面形成一层保护膜，保护纤维免受破坏，同时提高纤维的表面活性，从而提高复合材料的界面黏结性能。碳纤维表面添加的上浆剂的主剂为环氧树脂，这种上浆剂在常温下能与树脂很好地结合，但其耐高温性能很差，在180℃左右就会发生热氧分解，从而造成碳纤维/树脂基体界面强度的显著下降。而玻璃纤维表面的上浆剂多为硅烷偶联剂，其可以与树脂形成共价连接，且能与玻璃纤维表面发生反应，生成稳定的Si—O—Si键，从而提高其界面的结合强度。

综上所述，在保证所需设计强度的前提下，可优先选择玻璃纤维，而采用碳纤维作为增强材料时尽可能选择模量高的，因为模量高的碳纤维含碳量高（杂质少），界面性能好，能有效地降低自身氧化以及由此带来的界面性能的退化，从而提高树脂基复合材料整体的耐热氧老化性能。

2.3.3.2　纤维体积含量的影响

无论是在常温环境还是极端环境下，纤维增强树脂基复合材料中纤维的占比对其整体性能影响都很大。M.Akay研究了纤维体积含量分别为54%和58%的T300/BMI复合材料在230℃下老化2000h的微裂纹和层间剪切性能随老化时间的变化情况，结果发现纤维含量为58%（体积分数，下同）的材料比54%的产生的微裂纹多。Sullivan研究了纤维含量在53%～63%（体积分数，下同）的碳纤维增强树脂基复合材料的微裂纹随老化时间的变化情况，得到了和M.Akay相似的结论。这是因为纤维体积含量高的碳纤维增强树脂基复合材料存在更多的纤维/基体界面，会产生更大的热应力。M.Gentz模拟了纤维体积含量分别为40%、50%、60%、70%的复合材料在316℃老化42天后的最大残余应力，充分证实了M.Akay的推断，即内部最大应力随着纤维体积含量的增加而增加。由于纤维体积含量高的碳纤维增强树脂基复合材料产生了更多的微裂纹，最终导致纤维体积含量为58%的碳纤维增强树脂基复合材料的层间剪切强度保留率小于纤维体积含量为54%的碳纤维增强树脂基复合材料。因此在设计树脂基复合材料时，在满足强度要求的前提下，可以适当地降低纤维体积含量。(www.xing528.com)

2.3.3.3　纤维取向的影响

增强纤维的取向在树脂基复合材料的热氧降解中扮演重要的角色，这使树脂基复合材料的氧化行为呈现出各项异性的特征。Mohammad等将单向[016]和[9016]的碳纤维/双马复合材料在260℃条件下进行了热氧老化，对两者的失重和弯曲性能测试结果进行对比，探究纤维取向对复合材料热氧老化过程的影响。结果表明，与[016]样品相比，[9016]样品的失重速率和弯曲强度下降速率明显更高，说明纤维取向对复合材料热稳定性有明显的影响。Mlyniec等通过研究单向层合碳纤维/环氧复合材料经过长时间的热氧老化后的动态力学性能发现，老化后材料的阻尼在横向呈减小趋势，在纵向呈增大趋势，说明复合材料的阻尼性质与层合材料的叠层顺序密切相关。Schoeppner等将G30-500/PMR-15单向复合材料在288℃进行长时间高温热氧老化后，进行了轴向和横向单向复合材料氧化速率的测量，证实了轴向复合氧化速率比横向复合氧化速率大一个数量级。以上研究都说明了增强纤维的取向对树脂基复合材料的热氧老化性能存在影响。此外，在复合材料中，当纤维平行于试样表面时扮演着保护树脂的角色，当纤维垂直于试样表面时，会让裂纹沿着纤维深入材料内部，使得更多树脂和纤维表面暴露，加快树脂基复合材料的氧化降解。因此，在设计树脂基复合材料时尽量减少纤维末端暴露在空气中的面积，避免将纤维末端暴露于迎着空气的方向，如机翼的前缘应该避免有垂直于这个方向的纤维。

2.3.3.4　增强体结构的影响

层合复合材料因其制备工艺简单，生产成本低等优点，成为产业中的主要使用对象。然而层合复合材料有一个致命的缺点是层间性能差，在外力作用下容易诱发分层破坏，在受到热氧作用后其界面性能下降，分层破坏更为严重（图2-21），这会大大降低复合材料的使用寿命。而三维增强体结构在厚度方向有纤维穿过，整体呈现一个空间交差的网状结构，可以显著提高相应复合材料的层间性能，在纤维/基体界面性能下降的情况下也不会像层合复合材料那样发生分层破坏，所以能够有效地抵抗热氧老化引起的树脂和纤维/基体界面性能退化带来的不利影响。正因如此，目前一些航空航天的关键结构件开始采用立体织物增强的复合材料。

图2-21　层合复合材料在250℃老化前后沿长度方向的破坏形貌图