解读碳纤维复合材料的耐候性能

解读碳纤维复合材料的耐候性能

2013-07-18 10:51:40 66

    复合材料的耐候性,主要指复合材料处在户外自然环境下,随时间延长而保持其原有性能的性质。测量耐候性的试验是将复合材料试样放置于户外自然环境中,使其受各种大气因素(阳光、高能辐射、工业废气、盐雾、机械摩擦、化学药品、微生物等)的综合作用,通过定期的外观检查和某
些性能的测试来了解和比较复合材料的老化特征,从而考核和评价其耐候性。户外的大气老化试验是评价复合材料实用性最适宜的方法,但由于户外暴露中气候因素差别很大,不同地区、季节或不同气候区的试验结果不能进行比较,且户外试验较耗费时间;因此,人工气候老化试验得到了广泛应用,即通过模拟光能、温度、降雨或凝露、湿度等几种气候因素进行强化加速老化试验,并在短时间内评价复合材料耐候性的方法。
    阳光及其产生的光热效应是影响复合材料耐候性的主要因素,它对高聚物作用的化学反应为:

                                                       hv               

                                                RH ——→R· + H·

  式中:RH表示高聚物,R.、H.表示游离基。紫外光的老化作用主要集中于复合材料的表层,并随时间推移而逐渐向内部发展,虽然紫外光
本身的量很少,但它的光能量高,高聚物吸收光量子后,可引发和促进氧对基体树脂的作用,产生的游离基使高聚物进一步分解,因而光氧老化的作用是主要的。阳光中的可见光和红外线容易被复合材料中的高聚物吸收,并在吸收部位转变为热能使该处温度升高,促进氧化作用,使复合材料发生热氧老化。在热和氧的联合作用下,复合材料基体树脂的氧化作用成为一个自动催化过程。高分子链引发首先产
生氢的过氧化物HOO.,然后引起游离基的链式降解反应,最终导致高聚物老化变质。热不仅能引发和促进复合材料中高聚物基体的氧化过程,导致其交联或降解,还能促进高聚物发生水解、醇解和胺解等反应。另外,由于自然条件的日出日落,使得复合材料接受的阳光呈规律性的周期变化,从而造成温度交变和相应的膨胀与收缩,复合材料会在内应力作用下发生疲劳。

    在大气中,水对复合材料的作用表现为降雨、潮湿和凝露等多种形式。雨水可冲洗掉材料表面的灰尘,使其接受阳光照射更为充分,从而有利于
光氧老化的进行。潮湿还为微生物(霉菌、细菌)、昆虫和水生物的附着与繁殖提供了条件,从而形成生物性老化。对于空间环境中使用的复合材料,主要应考虑的环境因素有:真空、高能带电量子和等离子体、微流星等。因为紫外线未受到大气的吸收、衰减,在阳光能谱发布中约占5%,它对复合材料的影响比在地面要严重得多。在20~30k高空的上层大气中存在臭氧,臭氧的化学活泼性比氧高,破坏性比氧大得多,在光参与下的光臭氧
老化更为剧烈。

    在环境对环氧树脂复合材料的老化作用中,阳光(尤其是紫外线)及其与氧气、潮湿的联合作用是最主要的。老化通常从环氧树脂复合材料的表面开
始逐渐向内部扩展;因此,改善表面状态,在复合材料表层阻挡紫外线、氧气和潮湿的侵入,是改善复合材料耐候性的基本途径。具体措施包括:
①表面涂漆膜、制富树脂层等;②表面粘贴能吸收紫外线的透明薄膜;③改善基体的耐候性,如对基体改性、选用能改善耐候性的助剂或在基体中
添加紫外线吸收剂等。

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