热氧环境对复合材料振动性能的影响

纤维增强树脂基复合材料作为结构件在航空航天领域应用过程中常常会遭受外部冲击，如遇冰雹、小鸟撞击等，因此振动性能对材料的安全使用非常重要。然而，当纤维增强树脂基复合材料作为结构件在热氧环境下长期使用时，会使其发生热氧老化而导致材料的振动性能发生变化。因此，明确热氧老化对纤维增强树脂基复合材料振动性能的影响对其使用寿命具有重大意义。

笔者基于研究Vib’SYS振动分析软件的WS-CJ02锤击测振系统模块获得的频响函数曲线，采用半功率带宽法可获得三维编织复合材料和层合复合材料在140℃老化前后的一阶固有频率（First nature frequency, FNF）和一阶阻尼系数（Firstdamping coefficient, FDC）等固有属性，结果如表2-3所示。

表2-3　层合复合材料和三维编织复合材料在140℃老化前后的一阶固有频率和一阶阻尼系数

在这个模型中，悬臂梁的FNF可以用下式表示：

式中：L为梁的自由端长度；E为梁的杨氏模量；ρ为密度；A为横截面积；I为截面惯性矩。

因为本文中梁的横截面为矩形，因此I=，A=bh，其中b和h为梁的横截面的宽度和厚度。在梁的横截面积为矩形的情况下，式（2-1）可以写为：

由于制备的三维编织复合材料和层合复合材料试样拥有相同的纤维体积含量和试样尺寸，所以可以认为两者的密度ρ是相等的。此时式（2-2）可以写成：

对于未老化的试样，理论上的E可以使用三维编织复合材料和层合复合材料微观力学方法计算。通过计算得到EB=36.8GPa, EL=21.2GPa。=1.32约定等于。其中，下标B代表三维编织复合材料，L代表层合复合材料。(www.xing528.com)

为了比较热氧老化对两种不同增强体结构复合材料的FNF的影响，笔者采用性能保留率来处理表2-3的FNF数据，结果如图2-27所示。可以看到两种复合材料的FNF都随老化时间的延长而下降，从式（2-4）可以看到，能够使材料FNF减少的原因有两个：E减小和ρ增大。由材料失重分析可知，热氧老化会导致材料失重，致使其ρ减小。因此材料的FNF减小只能归因于E的下降，而热氧老化导致的复合材料基体树脂和纤维/基体界面退化是造成其E下降的主要原因。此外，从图2-27可以看到在相同的老化条件下，层合复合材料FNF的下降程度大于三维编织复合材料。这是因为在相同的老化条件下层合复合材料的界面氧化失重大于三维编织复合材料，造成层合复合材料E的下降大于三维编织复合材料。

图2-27　层合复合材料和三维编织复合材料在140℃老化条件下一阶固有频率保留率随老化时间的变化关系

通过计算得到，未老化的层合复合材料的FDC为2.46%，它是三维编织复合材料FDC（1.98%）的1.24倍。解释复合材料的阻尼机理主要有四个：组分材料的黏弹性响应；纤维/基体界面的摩擦和滑动；由热循环产生的热弹性阻尼；裂纹处的能量耗散。因为未老化的试样不存在裂纹，所以复合材料的阻尼由以下变量来决定：基体和增强体的相对比例和性能；夹杂物的尺寸；增强体相对于载荷的方向；增强体表面改性和孔隙率。因为三维编织复合材料和层合材料具有相同的组分和纤维体积含量，所以它们FDC的不同只能归因于增强体结构的不同。对于层合复合材料，只有50%的纤维是沿着试样的轴向的，而三维编织复合材料中全部纤维都沿着试样的轴向，只是纤维在通向轴向的过程中发生一定角度的偏离（偏离角度为编织角），这就造成了三维编织复合材料的E大于层合复合材料的E。材料的弹性变强，黏性就会相对减弱，因此三维编织复合材料的FDC小于层合复合材料是由于其沿着载荷方向纤维较多造成的，也即弹性更强造成的。为了比较热氧老化对两种不同增强体结构的复合材料FDC的影响，同样采用计算性能保留率的方法来处理表2-3中FDC的数据，结果如图2-28所示。

从图2-28中可以看到，两种复合材料的FDC都随老化时间的延长而上升，然而在相同的老化条件下，层合复合材料FDC的上升量要大于三维编织复合材料FDC的上升量。这是由于热氧老化导致复合材料界面黏结性能下降，并且会产生很多微裂纹，因此能量在传输过程中会在界面和微裂纹处耗散，导致其FDC增加。而层合复合材料微裂纹数量要比三维编织复合材料多，界面性能退化也比三维编织复合材料严重，因此在相同的老化条件下层合复合材料FDC的增加率要大于三维编织复合材料FDC的增加率。

图2-28　层合复合材料和三维编织复合材料在140℃老化条件下一阶阻尼系数增加率随老化时间的变化关系

由此可见，不同增强体结构的复合材料在热氧老化振动性能的变化不同，热氧老化导致复合材料树脂基体氧化分解以及界面性能下降，会造成材料内部微裂纹的产生，从而影响材料的固有频率和阻尼系数，具体表现为，老化后产生的裂纹越多，其一阶固有频率（FNF）下降就越多，但一阶阻尼系数（FDC）上升反而越大。