先進(jìn)復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、耐環(huán)境性能優(yōu)異、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為航空航天各類(lèi)飛行器的主要結(jié)構(gòu)材料。在國(guó)外,主要的軍、民用直升機(jī),如:PAH-2 (虎)、RAH- 66(科曼奇)和NH-90均大量采用先進(jìn)復(fù)合材料。

       PAH-2是法德聯(lián)合研制的武裝直升機(jī),從其用材上分析,可以看出輕質(zhì)材料仍是首選,最突出的現(xiàn)象是復(fù)合材料在機(jī)身上的用量明顯增多,號(hào)稱(chēng)80%復(fù)合 材料的直升機(jī)。NH-90為全復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu),在機(jī)體結(jié)構(gòu)中,除發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)防火墻和部分加強(qiáng)件采 用輕合金以外,其余部分均采用復(fù)合材料。大部分 承載結(jié)構(gòu)用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制成,少數(shù)結(jié)構(gòu) 用Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制成。全復(fù)合材 料機(jī)體大大減少了隔框和縱梁的數(shù)目,同全金屬結(jié) 構(gòu)相比,其零件數(shù)目減少20%,質(zhì)量減輕20%,與此 同時(shí),還提高了抗腐蝕和損傷容限的能力,減少了雷 達(dá)特征信號(hào)。RAH-66雖已下馬,但仍不失為當(dāng)代 新開(kāi)發(fā)的先進(jìn)武裝直升機(jī)的目標(biāo),復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì) 量占機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的54%,其中碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂 占結(jié)構(gòu)的44%。主承力件采用IM7碳纖維和增韌 環(huán)氧樹(shù)脂8552,IM7碳纖維復(fù)合材料與T300碳纖 維復(fù)合材料相比,強(qiáng)度增加了20%~40%,剛度增 加了35%,損傷容限提高了近100%,低速?zèng)_擊后壓 縮強(qiáng)度高1倍,使用這種新型復(fù)合材料后,機(jī)身結(jié)構(gòu)質(zhì)量比用金屬材料減輕了34%,比T300級(jí)別的復(fù)合材料輕14%。

       按照上述發(fā)展趨勢(shì),高性能復(fù)合材料還將得到更廣泛的應(yīng)用。然而,腐蝕問(wèn)題卻是制約直升機(jī)發(fā)展的重要因素之一。據(jù)資料顯示,國(guó)內(nèi)外每年由于腐蝕問(wèn)題造成的各種損失高達(dá)數(shù)百億。由于我國(guó)對(duì)復(fù)合材料的耐腐蝕問(wèn)題尚未開(kāi)展過(guò)深入研究,因此, 深入研究復(fù)合材料與環(huán)境相互作用所發(fā)生的腐蝕失效的機(jī)理問(wèn)題是一重要課題。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行浸泡腐蝕等試驗(yàn),研究了影響復(fù)合材料腐蝕的最顯著環(huán)境因子,以及在最顯著因子影響下復(fù)合材料耐沖擊和疲勞性能的變化。

       1　環(huán)境因子影響試驗(yàn)與分析

       1.1　試驗(yàn)材料

       試驗(yàn)材料選擇中溫固化環(huán)氧碳布復(fù)合材料 3234/G827。

       1.2　試驗(yàn)設(shè)備

       試驗(yàn)設(shè)備有:AR2140型電子分析天平(0.1 mg)(上海奧豪斯公司);鍍鉻游標(biāo)卡尺(精度為 ±0.02 mm)(北京量具道具廠(chǎng));Du Pont982型差 熱儀(DMA)(美國(guó)杜邦公司);恒溫水浴箱(精度為 ±0.5℃)(北京醫(yī)療設(shè)備廠(chǎng))。

       1.3　試驗(yàn)內(nèi)容

       根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),復(fù)合材料的腐蝕老化與溫度、時(shí) 間、腐蝕介質(zhì)密切相關(guān),試驗(yàn)著重研究此3種因素與 材料腐蝕之間的關(guān)系,從中找出影響最大的因子。

       1.3.1　正交試驗(yàn)

       三因素三水平正交試驗(yàn)。

       試樣尺寸:20 mm×6 mm×2 mm;

       溶液:NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%,3%、5%的 NaCl溶液;

       溶液溫度:30、55、80℃;

       浸泡時(shí)間:10、20、30 d。

       1.3.2　熱老化試驗(yàn)

       此試驗(yàn)為考察在沒(méi)有其它因素作用時(shí),單純的 高溫對(duì)材料力學(xué)性能和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響,試 驗(yàn)取一個(gè)溫度水平,3個(gè)試驗(yàn)周期(時(shí)間水平)。

       1.3.3　吸濕率與溫度、時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)的測(cè)定試驗(yàn) 試驗(yàn)主要是測(cè)定復(fù)合材料浸泡在NaCl溶液 (NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%)中,吸濕率與溫度和時(shí)間 的關(guān)系。

       1.3.4　試驗(yàn)結(jié)果處理

       用電子天平稱(chēng)取試樣在浸泡前和浸泡后的質(zhì) 量,按下式計(jì)算試樣的增重率:

        式中:R(t)為增重率;W0和Wt分別為試樣的起始 質(zhì)量與浸泡時(shí)間t后的質(zhì)量。

 對(duì)浸泡后的試樣進(jìn)行玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的 測(cè)定和按照GB 3357進(jìn)行短梁剪切試樣,并與未進(jìn) 行浸泡的空白試樣進(jìn)行對(duì)比分析。

       1.4　試驗(yàn)結(jié)果及分析

       1.4.1　正交試驗(yàn)

       正交因素水平見(jiàn)表1。

           

 將所得各組試樣的層間剪切強(qiáng)度值和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度值填入正交表,計(jì)算出相關(guān)項(xiàng)(水平1、2、3分別對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)及其相應(yīng)的極差),見(jiàn)表2。

            

      表2中Ⅰj為各因素中水平1所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函 數(shù)之和;Ⅱj為各因素中水平2所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)之 和;Ⅲj為各因素中水平3所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)之和; Rj為極差,是各列中水平1、2、3所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù) 和中最大值與最小值之差;下角標(biāo)為1的是與剪切 強(qiáng)度有關(guān)的項(xiàng);下角標(biāo)為2的是與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 有關(guān)的項(xiàng)。

      由表2可知,極差R21>>R31>>R11,即當(dāng)因 素2(溫度)變動(dòng)時(shí),層間剪切強(qiáng)度值的波動(dòng)最大,且 遠(yuǎn)大于因素1和因素3變動(dòng)時(shí)對(duì)剪切強(qiáng)度的影響, 因此,當(dāng)目標(biāo)函數(shù)是層間剪切強(qiáng)度時(shí),最顯著因子為 溫度。
 同時(shí),R22>>R32>>R12,即當(dāng)因素2(溫度)變動(dòng)時(shí),玻璃化轉(zhuǎn)變溫度值的波動(dòng)也是最大的,且遠(yuǎn)大 于因素1和因素3變動(dòng)時(shí)對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響。因此,當(dāng)目標(biāo)函數(shù)為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí),最顯著因子仍為溫度。

      以c代表濃度,T代表溫度,t代表時(shí)間,作出 Ⅰj1-c、Ⅱj1-T、Ⅲj1-t關(guān)系曲線(xiàn),如圖1所示;Ⅰj2-c、 Ⅱj2-T、Ⅲj2-t關(guān)系曲線(xiàn),如圖2所示。