解读碳纤维复合材料的耐水性能

解读碳纤维复合材料的耐水性能

2013-07-18 10:51:31 42

    复合材料的耐水性是设计水环境中使用的复合材料制品的重要指标,也是估计复合材料制品在水环境下使用寿命的重要依据。水环境包括:雨水、
淡水浸泡、海水浸泡。雨水对露天放置的复合材料的影响,一般由复合材料的耐候性来表示。海水及盐雾对复合材料的腐蚀作用,一般归于复合材
料的耐介质腐蚀性范畴。因此,这里所谓的耐水性,主要讨论单质水对复合材料性能的影响。通过界面缝隙渗进复合材料的水与复合材料发生一系列物理和化学作用。一方面,水会使基体树脂发生溶胀,导致大分子结构间距增大,刚性基团的活泼性增加;因而使基体树脂得到增韧,反映为浸水后复合材料的冲击韧性增大。另一方面,水渗入界面相上的微裂纹内会使其扩展,从而在纤维与基体的界面上产生内应力,减弱纤维与基体间的粘接力,降低复合材料的强度和耐腐蚀性能。当以玻璃纤维作为复合材料的增强体时,浸入复合材料的水分将对玻璃纤维产生化学作用。玻璃
纤维表面的碱金属或碱土金属离子与水作用生成OH-,OH-再与二氧化硅网络发生反应生成硅醇和[-SiO]-,二氧化硅网络骨架遭到破坏,导致玻璃
纤维强度下降。此外OH-的产生,会使水呈碱性,在一定程度上会促进环氧基团的水解反应。表2为碳纤维/环氧树脂复合材料的饱和吸水
值。由于吸水过程是一个质量传递的过程,与能量传递过程相比要缓慢得多,热传递和湿扩散的速率大约相差106倍。例如,将一块冷的碳纤维/环
氧树脂复合材料板投入热的环境中,如果它经过半分钟达到温度平衡的话,则由于外界湿度变化,它要达到各处的湿度平衡大约需要1年。

    环氧树脂复合材料吸水后,其理化性能主要发生以下变化:①密度增大;②吸湿后发生体积膨胀,改变复合材料的内应力分布;③力学性能变化(如杨氏模量、强度降低,韧性增加);④介电性能和透明度降低,导热率增大;⑤复合材料发生化学降解;⑥加速生物活动。

   复合材料的耐水性取决于复合材料组分的材质、结合状态和成型工艺。改善树脂基复合材料耐水性的主要措施如下:①选用吸水性小,水对其
性能影响小的纤维作增强体,通过改性,使基体树脂具有憎水性,如在树脂大分子主链上引入疏水基团(苯环、长的碳链等);②选用适当的偶联剂对纤维进行表面化学处理,以改善纤维的表面状态和增加与基体的界面结合;③改进工艺方法,如通过高温固化使基体固化完全,加压固化以减少复合材料中的缺陷(微裂纹和孔隙);④避免纤维端头裸露于复合材料表面,如增大树脂含量,在复合材料表面涂覆防水涂层等。

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