三维增强树脂基复合材料在热氧环境下的剪切性能优化

纤维增强树脂基复合材料在受到弯曲载荷作用时，往往会伴随着剪切破坏，材料的抗剪切能力对其使用场所和条件有非常重要的影响。短梁剪切实验是表征复合材料层间性能最常用的方法之一，目前已有很多研究者采用短梁剪切的方法来探讨老化后复合材料的剪切性能。研究发现，对于碳纤维增强树脂基复合材料而言，在非常接近基体Tg的温度下进行老化时，物理老化作用，即基体的体积收缩不可忽略，但碳纤维几乎不发生物理老化，所以纤维与基体收缩的差别势必引起界面的损伤，会使得材料的剪切强度明显下降。此外，复合材料的剪切性能受老化温度和老化时间的共同作用，温度越高和时间越长，性能下降就越严重，且随着复合材料失重的增加而线性下降。笔者测试了层合试样和三维编织试样在140℃下加速老化不同时间后的剪切强度，并计算材料剪切强度保留率发现，由于热氧老化导致的基体树脂和纤维/基体界面下降，两种复合材料的剪切强度都随着老化时间的延长而下降，但三维编织试样的剪切强度保留率一直大于层合试样，这是因为三维编织复合材料这种三维交叉的整体网状结构有贯穿厚度方向的纤维存在，所以在热氧老化造成界面性能下降的情况下也可以有效抵抗剪切载荷的作用，不会像层合复合材料那样发生分层破坏。因此，与传统的层合复合材料相比，三维编织复合材料这种整体结构能够起到补偿由热氧老化导致纤维增强树脂基复合材料的剪切性能下降的作用。

然而，研究后发现采用短梁剪切进行实验时，材料常会发生多种破坏模式，并不是真正的剪切破坏，尤其是针对复杂结构和热氧老化后的复合材料，更难采用短梁剪切实验的方法来准确地评估其剪切性能。相反，双切日剪切测试可以使材料发生单一的分层破坏，且制样容易，测试装备简单（图2-46），比较适用于表征结构复杂和热氧老化后的复合材料剪切性能。

笔者采用双切日剪切实验研究了三向正交复合材料在200℃老化180天后的剪切性能。发现经过热氧老化后，材料能承受的剪切破坏载荷和剪切强度都在随着老化时间的延长不断下降，三向正交材料的剪切破坏模式由未老化的非脆性破坏转变成了老化后的脆性破坏。除此之外，与常温下复合材料Z向纱断裂发生分层破坏不同，老化后试样未发生明显的分层破坏，其破坏模式主要是纤维的断裂、基体开裂和界面脱黏，如图2-47所示。这是因为当未老化的试样受到剪切作用时，树脂基体能有效传递剪切应力给纤维，当剪切应力超过纤维所能承受的最大应力时，纤维会断裂，使得材料发生分层破坏。经过长时间热氧老化后，树脂基体发生了化学变化，在基体间产生了大量裂纹，但此时由于树脂降解程度严重，加之纤维/基体界面损伤严重，逐渐丧失了黏结纤维和传递应力的能力，三向正交复合材料试样中厚度方向上的Z向纱就可以将所有纱线捆绑为一个整体共同抵抗剪切应力，使得材料不易发生分层破坏。相比之下，老化前后的层合复合材料试样都发生的是分层破坏，如图2-48所示。这是因为层合复合材料是单向纤维带铺层得到的，材料的整体性差，在受到剪切外力时易发生分层破坏。尤其是经过长时间热氧老化后，树脂基体被大量分解，基体中产生的裂纹会沿着层间不断扩展，从而造成纤维/基体界面的损伤，直至脱黏，因此材料更易发生分层破坏。

图2-46　双切日剪切试样尺寸图与测试夹具图

图2-47　200℃三向正交复合材料试样老化不同时间后剪切破坏模式图

图2-48　200℃层合复合材料试样老化不同老化时前后剪切破坏模式图(www.xing528.com)

以上结论可以从材料的剪切强度保留率更直观地看出，如图2-49所示。树脂基体的降解和纤维/基体界面脱黏的协同作用导致材料的剪切强度保留率随着老化时间的延长而不断下降，且温度越高两种复合材料的剪切强度保留率越小。与此同时，三向正交复合材料的剪切强度保留率始终高于层合复合材料。这是由于三向正交复合材料中在厚度方向上有Z向纱的存在，提高了材料的结构整体性，能将所有纱线捆绑为一个整体共同抵抗剪切外力。在热氧环境下，这种整体性能有效补偿由基体降解和界面性能下降造成的剪切强度不断下降的作用。这种现象说明三向正交复合材料在热氧环境下的稳定性较好。

图2-49　三向正交和层合正交复合材料在不同热氧条件下的剪切强度保留率

此外，笔者还利用双切日剪切实验探讨了编织面内准各向同性和层合面内准各向同性复合材料在不同老化温度（200℃和250℃）下老化180天前后的剪切性能。发现两种复合材料未老化时的剪切载荷位移曲线在初始阶段表现出线弹性现象。在达到峰值后，层合复合材料的载荷急剧下降，而编织复合材料出现了明显的平台（图2-50）。这是因为当编织复合材料在达到最大破坏载荷之后，大部分应力区域都发生了剪切破坏，然而，还有一些Z向纱线并没有完全断裂，并继续承受随后的剪切应力。在整个老化周期内，编织复合材料的平均剪切强度始终都大于层合复合材料，这是因为编织复合材料是由沿厚度方向的Z向纱将所有纱线捆绑为一个整体结构，所以在热氧老化造成复合材料之间产生裂纹时，Z向纱的存在可以阻挡裂纹的扩展，可在一定程度上缓解老化导致复合材料剪切性能下降的力度。而且相对于在200℃下的老化来说，在250℃下老化的两种复合材料的层间剪切性能都下降得更为严重。这是由热氧老化导致大量基体树脂的氧化分解和纤维/基体界面性能的下降两方面原因造成的，即老化温度越高，树脂基体分解和界面破坏越严重，材料的剪切性能下降也就越严重。

图2-50　双切日剪切试样在200℃和250℃老化180天前后的载荷—位移曲线图

综上所述，双切日剪切实验方法可较好地表征纤维增强树脂基复合材料老化后的抗剪切能力，复合材料的层间剪切性能受老化温度和老化时间的双重影响，且三向正交和三维编织面内准各向同性等整体性好的增强结构能够起到补偿由热氧老化导致纤维增强树脂基复合材料剪切性能下降的作用。