湿热老化对纤维增强树脂基复合材料性能的影响及机理

摘要环氧树脂作为涂料、交联剂、封装材料等广泛应用于国防与民用工业各个领域，其热力学性能受湿热环境影响很大，生产中常填充硅微粉等填料以提高性能。

硅微粉对环氧树脂性能的改善作用具有重要的研究和应用价值。

本文使用Material Studio构建了环氧树脂及熔融硅微粉原子模型，通过分子动力学模拟(MD)，分别获得了环氧树脂及熔融硅微粉在不同温度和含湿量下的力学参数，以及其湿热膨胀系数，水分子在环氧树脂中的扩散系数；在此基础上，采用广义自洽法(GSCM)研究环氧树脂/硅微粉复合材料的力学性能，采用细观力学理论计算得到环氧树脂复合材料的湿热膨胀系数；此后，构建了环氧树脂复合材料的代表性体元，通过有限元(FEM)模拟获得了环氧树脂/硅微粉复合材料的力学参数及湿热膨胀系数，并与广义自洽法等细观力学理论的研究结果进行对比。

此外，本文采用分子动力学方法研究环氧树脂和晶态二氧化硅、环氧树脂和聚合物的界面，构建了环氧树脂-晶态二氧化硅、环氧树脂-聚合物界面分子动力学模型，模拟获得不同湿热环境下的界面相互作用能。

研究结果表明：湿热环境会降低环氧树脂及其复合材料的力学性能，填充硅微粉填料可以显著提高环氧树脂的力学性能；环氧树脂的湿热膨胀系数随着硅微粉含量的增加而降低；温度升高或含湿量增加降低了环氧树脂-晶态二氧化硅、环氧树脂-聚合物的界面相互作用能，降低了其黏结强度，因而对环氧树脂/晶态二氧化硅、环氧树脂/纳米二氧化硅复合材料的强度产生影响。

关键词：环氧树脂；硅微粉；分子动力学模拟；广义自洽法；湿热膨胀系数；界面相互作用能AbstractAs packaging materials,coatings and cross-linking agent,epoxy resin is widely used in national defense and various fields of civilian industries,it’s thermodynamic properties will be influenced significantly in hot and humid environment,So silica powder and other fillers are often used to improve the properties of epoxy resin in real productions.The improvement effect of silicon powder on the properties of epoxy resin has important research and application value.In this paper,the atomic model of epoxy resin and fused silica powder is constructed by Material Studio,the mechanical parameters of epoxy resin and fused silica powder under different temperature and moisture content are obtained by means of molecular dynamics simulations(MD),and the moisture-heat expansion coefficient as well;On this basis,the mechanical properties of epoxy resin/silica powder composites were studied by generalized self consistent method(GSCM),and the thermal expansion coefficient of epoxy resin composites was calculated by using the theory of micro-mechanics;Thereafter,the representative volume elements of epoxy resin and silica powder composite materials are constructed.The mechanical parameters and moisture-heat expansion coefficient of the composite materials are obtained through finite element simulations,and the results under different approaches are compared.In addition,the molecular dynamics method is used to study the epoxy resin and crystalline silicon dioxide interface,the molecular dynamics model of epoxy resin/crystalline silicon dioxide interface is constructed,and the interaction energy of the interface under different heat and moisture conditions was simulated.The results show that:the mechanical properties of epoxy resin and it’s composites are dwindled in hot-humid environment,the mechanical properties of epoxy resin can be improved significantly by filling with silica powder.The moisture-heat expansion coefficient of epoxy resin decreases with the increase of the content of silicon powder;The interaction energy and bond strength between epoxy resin and crystalline silicon dioxide is decreased with the increase of temperature or moisture content,therefore,the strength of the epoxy resin /crystalline silicon dioxide composite is affected.Keywords:epoxy resin;silicon powder;molecular dynamics simulation;generalized self consistent method;moisture-heat expansion coefficient;interaction energy of interface目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1复合材料概论 (1)1.1.1复合材料的定义 (1)1.1.2复合材料的种类 (2)1.1.3树脂基复合材料 (3)1.1.4复合材料细观力学简介 (4)1.2环氧树脂、硅微粉及其复合材料 (5)1.2.1环氧树脂、硅微粉及其复合材料简介 (5)1.2.2环氧树脂热力学性能的研究现状 (7)1.2.3环氧树脂/硅微粉复合材料热力学性能的研究 (8)1.2.4界面相互作用能的研究 (9)1.3本文的主要研究内容 (9)第二章分子动力学方法 (11)2.1分子动力学方法基本原理 (11)2.2分子动力学力场 (12)2.3周期性边界条件 (14)2.4温度和压力调节方法 (14)第三章环氧树脂及熔融硅微粉分子动力学模拟研究 (16)3.1分子动力学模型建立 (16)3.2.1环氧树脂分子动力学模型建立 (16)3.2.1熔融硅微粉分子动力学模型建立 (19)3.2力学参数与膨胀系数模拟方法 (20)3.2.1静态常应变方法 (20)3.2.2湿热膨胀系数模拟方法 (21)3.2.3环氧树脂中水分子扩散系数的计算方法 (21)3.3模拟结果 (22)3.3.1环氧树脂及熔融硅微粉力学参数 (22)3.3.2环氧树脂及熔融硅微粉湿热膨胀系数 (24)3.3.2环氧树脂中水分子的扩散系数 (25)3.4本章小结 (31)第四章环氧树脂/球形熔融硅微粉复合材料热力学性能的理论研究与模拟仿真 (33)4.1环氧树脂/球形熔融硅微粉复合材料力学性能参数 (33)4.1.1广义自洽方法 (33)4.1.2有限元模拟方法 (35)4.1.3计算与模拟结果 (36)4.2环氧树脂/球形熔融硅微粉复合材料湿热膨胀系数 (38)4.2.1理论计算方法 (38)4.2.2有限元模拟方法 (40)4.1.3计算与模拟结果 (40)4.4本章小结 (42)第五章环氧树脂界面相互作用能分子动力学模拟 (44)5.1分子动力学模拟方法 (45)5.1.1环氧树脂-晶态二氧化硅界面相互作用能模拟方法 (45)5.1.2环氧树脂-聚合物界面相互作用能模拟方法 (46)5.2模拟结果 (50)5.1.1环氧树脂-晶态二氧化硅界面相互作用能模拟结果 (50)5.1.2环氧树脂-聚合物界面相互作用能模拟结果 (52)5.3本章小结 (55)结论与展望 (57)结论 (57)展望 (58)参考文献 (59)第一章绪论第一章绪论1.1复合材料概论1.1.1复合材料的定义复合材料是指由两种或两种以上单一材料复合而成的材料，其种类很多，常见的如：钢筋混凝土，添加植物秸秆的泥土，用纤维加固的聚合物材料等。

湿热对玻璃纤维复合材料层合板性能的影响屈腾腾;张晓洁;童俊梅;胡锐【摘要】Glass fiber composite material is composed of glass fiber and resin,with high mechanical properties,low density,low cost characteristics.However,in the use and maintenance of aircraft,the moisture absorption of composite materials is inevitable,and can not be simulated well.This article analyzes moisture diffusion process through Tencate 7781 Glass fiber composite specimens conditioned in hygrothermal environment when effective moisture equilibrium is achieved.It indicates that mechanical property and glass transition temperature of wet composite would decline to different extent by contrasting with dry material,and the reason for descending is also analyzed preliminarily.%玻璃纤维复合材料由玻璃纤维和树脂组成,具有较高的机械性能及低密度、低成本的特点.然而在飞机的使用和维护中,复合材料的吸湿不可避免,而且不能很好模拟.通过对Tencate 7781玻璃纤维复合材料试样高温吸湿处理,分析了其吸湿扩散过程,对比室温干态的材料性能数据,显示复合材料力学性能和玻璃化转变温度均有不同程度的下降,并分析了下降的原因.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2017(000)019【总页数】5页(P101-104,109)【关键词】玻璃纤维;复合材料层合板;湿热;吸湿;性能【作者】屈腾腾;张晓洁;童俊梅;胡锐【作者单位】中航通飞华南飞机工业有限公司,珠海519040;中航通飞华南飞机工业有限公司,珠海519040;中航通飞华南飞机工业有限公司,珠海519040;中航通飞华南飞机工业有限公司,珠海519040【正文语种】中文玻璃纤维复合材料是由玻璃纤维和树脂组成，具有较高的机械性能及低密度、低成本的特点。

湿热老化对环氧树脂复合材料性能产生的影响作者：操隆震余万兴来源：《山东工业技术》2018年第08期摘要：湿热老化的环境状态条件，会影响到环氧树脂复合材料的自身性能，从而对于这些材料制作的雷达天线罩产生不良影响，全面探究湿热老化产生的影响，将具有较强的研究意义。

本文主要是从环氧树脂复合材料老化试验的主要方法入手，针对湿热老化对环氧树脂复合材料性能产生的影响进行全面细致的分析和说明。

关键词：湿热老化；环氧树脂；复合材料；性能；影响DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2018.08.0501 前言环氧树脂及其复合材料在现阶段的雷达天线罩中应用程度较高，能够发挥较大的作用，这主要是因为其本身的力学强度较高，具有较强的耐腐蚀性，工艺性能较高，并且在较为宽广的频率和温度范围内都能够具有较为优异的电性能。

雷达天线罩在实际应用的过程中，免不了遭受风吹日晒，使用性能也会受到很多环境条件的影响，这些环境因素在不同的作用机制下能够影响到复合材料，从而可能会导致这些材料的性能出现下降或者损坏变质的情况，这就是常说的“腐蚀”或者“老化”。

在众多的研究实践中，能够发现湿热老化是影响环氧树脂复合材料自身性能的重要原因之一，需要对其进行全面细致的分析。

2 环氧树脂复合材料老化试验的主要方法针对环氧树脂复合材料在一定环境条件下的老化规律和耐老化性能进行全面评价和研究，通常情况下，能采用的老化试验方法较多，总体上能够划分为两类：一方面是自然老化试验方法，这种方法主要是充分应用了自然环境条件、自然介质开展试验工作，常见的有仓库贮存试验、大气老化试验、水下埋藏试验以及还会浸渍试验等方面。

另一方面是人工老化试验方式，这种方法在实际应用的过程中，主要采用了人工的方式，针对大气环境条件或者试验所需要的特定环境条件进行模拟，重点强化和突出某些因素，从而在较短时间内获取试验结果。

这类方法常见的有热老化试验、人工气候试验、臭氧老化试验以及二氧化硫气体腐蚀试验等方面。

T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料⾃然⽼化性能与机制复合材料学报第33卷第7期 7⽉ 2016年Acta Materiae Com p ositae SinicaVol .33No .7Jul y2016DOI :10.13801/j .cnki.fhclxb.20151022.002收稿⽇期:2015-06-26;录⽤⽇期:2015-09-18;⽹络出版时间:2015-10-22 14:57⽹络出版地址:/doc/04a5d56ea66e58fafab069dc5022aaea998f419c.html /kcms /detail/11.1801.TB.20151022.1457.004.html基⾦项⽬:国家⾃然科学基⾦(51203144)通讯作者:包建⽂,博⼠,研究员,研究⽅向为树脂基复合材料三 E -mail :bao jianwen@/doc/04a5d56ea66e58fafab069dc5022aaea998f419c.html引⽤格式:张代军,刘刚,包建⽂,等.T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料⾃然⽼化性能与机制[J ].复合材料学报,2016,33(7):1390-1399.ZHANG D J ,LIU G ,BAO J W ,et al.Environmental a g in g p erformance and mechanism of T700carbon fiber reinforced e p -ox y resin matrix com p osites [J ].Acta Materiae Com p ositae Sinica ,2016,33(7):1390-1399(in Chinese ).T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料⾃然⽼化性能与机制张代军,刘刚,包建⽂*,唐邦铭,钟翔屿,陈祥宝(中航⼯业复合材料技术中⼼,北京航空材料研究院,先进复合材料重点实验室,北京100095)摘要: 为验证复合材料的耐久性,对T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料经⾃然⽼化后的微观形貌⼆表⾯元素含量⼆热性能与⼒学性能等进⾏了研究三结果表明:在光氧⽼化与热氧⽼化的共同作⽤下,T700碳纤维增强EP -A 环氧树脂基(T700/EP -A )复合材料表层树脂将发⽣⽼化降解,并且随⾃然⽼化时间的延长,T700/EP -A 复合材料的玻璃化转变温度逐渐降低,未⽼化试样的玻璃化转变温度为207?,经过⾃然⽼化处理3年后,其玻璃化转变温度降低为180?,延长⾃然⽼化时间⾄5年时,其玻璃化转变温度进⼀步降低⾄172?三⽽⾃然⽼化过程对复合材料⼒学性能可能同时存在着增强效应与损伤效应,因此造成了T700/EP -A 与T700/EP -B 复合材料的不同⼒学性能表现出相异的变化趋势三随⾃然⽼化时间延长,T700/EP -A 与T700/EP -B 复合材料纵向拉伸强度表现出先升⾼后降低的趋势,纵向弯曲强度表现出逐渐升⾼的趋势,纵向压缩强度与层间剪切强度存在波动,未呈现出明显变化三关键词: ⾃然⽼化;碳纤维复合材料;环氧树脂;⼒学性能;热性能分析中图分类号: TB332 ⽂献标志码: A ⽂章编号: 1000-3851(2016)07-1390-10碳纤维增强树脂基复合材料以⾼⽐强度与⽐模量⼆优异的抗疲劳性能⼆耐腐蚀性能与可设计性强等特点已⼴泛应⽤于航空航天制造技术领域[1]三因此,近年来围绕着碳纤维增强树脂基复合材料的理化性能⼆⼒学性能以及成型⼯艺性能等⽅⾯开展了⼤量的研究⼯作三事实上,碳纤维增强树脂基复合材料在⼯程应⽤过程中,不但需要满⾜⼒学性能的要求,还需考虑其耐久性,即服役环境对碳纤维增强树脂基复合材料理化性能的影响,如温度⼆湿度⼆氧⼆光⼆微⽣物⼆⼒和化学介质等,这些环境因⼦会通过不同机制作⽤于碳纤维增强树脂基复合材料,导致其⼒学性能降低⼆耐温性能降低⼆表⾯及内部状态改变[2]三因此,碳纤维增强树脂基复合材料的耐⽼化性能引起了研究⼈员的⼴泛关注,⽬前主要研究⽅法主要包括⼈⼯加速⽼化与⾃然⽼化等三⼈⼯加速⽼化,主要针对湿热⽼化[3-6]⼆化学侵蚀⽼化[7-8]和紫外线加速⽼化[9-10]等,可在较短的周期内对碳纤维增强树脂基复合材料的⽼化规律进⾏探索三但是,碳纤维增强树脂基复合材料在使⽤过程中受各种环境因素作⽤,且不同的环境因素间存在着相互影响,许多情况下,多种环境因素协同作⽤的综合环境⽐其中任何单⼀环境对材料的影响都要复杂三已有研究表明,⼏种环境因素共同作⽤的试验结论并不等于其中各单⼀环境试验结论简单的叠加三并且,⽬前还未有⼀个完全有效的⼈⼯加速⽼化试验⽅法来真实⼆准确地模拟⾃然环境各因素的作⽤三因此,开展碳纤维增强环氧树脂基复合材料⾃然⽼化性能的研究更有现实意义三美国国家航空航天局(NASA )曾对波⾳飞机使⽤的3种碳纤维增强树脂基复合材料在世界6个地区(机场)进⾏了长达10年的⾃然⽼化试验[11],测试统计了经多年⽼化后碳纤维增强树脂基复合材料的层间剪切强度⼆弯曲强度和压缩强度保持率,这⼀研究结果为制定碳纤维增强树脂基复合材料的服役期提供了重要参考三国内研究⼈员也曾研究了T300/4211碳纤维增强环氧树脂基复合材料的⾃然⽼化⾏为,并通过半经验数学模型预测了该材料长期使⽤下⼒学性能的变化,估算碳纤维增强环氧树。

乙烯基酯树脂及其碳纤维复合材料的湿热老化行为研究周同悦于运花※杨小平北京化工大学碳纤维及复合材料研究所北京100029关键词：乙烯基酯树脂碳纤维复合材料湿热老化乙烯基酯树脂（VE）目前被广泛用作复合材料的基体材料[1]，其碳纤维拉挤复合材料（CF/VE）以其优异的力学性能和耐化学腐蚀性能已成功用作石油开采用的连续抽油杆[2]。

关于CF/VE拉挤复合材料在湿热环境下的老化行为已有一定研究[3-5]，但由于复合材料的耐环境性主要取决于基体树脂的性质，因此结合树脂体系对复合材料的耐老化性能进行研究同样具有重要意义。

基金项目：国家863项目资助（2001AA335030,2004AA33G140）；中石化2003年度重点项目（P03066）本文研究了VE树脂及其复合材料在两种不同温度蒸馏水中的湿热老化行为，跟踪了其吸湿率和静态和动态力学性能变化，探讨材料的湿热老化行为。

实验方法：碳纤维，AS-4C (12K)；乙烯基酯树脂，HETRON922；叔丁基过氧化苯甲酸酯；过氧化甲乙酮。

实验所采用CF/VE复合材料按照文献[6]中的拉挤工艺流程制备，所用VE浇注体采用模压成型方法制备。

试样全浸于65℃95℃蒸馏水中，间隔一定时间测其性能。

图1 为VE浇注体及其复合材料吸湿曲线。

可以看出，这四条曲线均符合Fick定律。

可将VE浇注体的吸湿过程划分为I 初始吸湿和II 吸湿饱和两个阶段，对应的CF/VE复合材料为I'、II'两阶段。

I'阶段由于基体吸湿而对复合材料界面的破坏作用较小，因此此阶段以基体吸湿为主；而 II'阶段基体达吸湿平衡，因此此阶段的吸湿率上升主要是由复合材料的界面吸湿引起的。

M /%t / hM /%t / hP r o p e r t y r e t e n t i o n /%－图2为材料在蒸馏水中的弯曲性能保留率变化曲线。

体系中同时存在着未参与固化反应的小分子物质的析出作用和水的塑化作用，前者使得浇注体的强度和模量上升，后者的作用相反。

湿热老化对碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能影响研究Study of H ydrothermal Aging Effect on Mechanical Propert ies ofCarbon Fiber/Epoxy Resin Composites吕小军1,张琦1,马兆庆1,许俊华2,肖文萍2(1北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083;(2中国直升机设计研究所,江西景德镇333001) LU Xiao2jun1,ZH ANG Qi1,MA Zhao2qing1,XU Jun2hua2,XIAO Wen2ping2(1School of Materials Science and Engineering,Beijing U niversity ofAeronautics and Astronautics,Beijing100083,China;2Chinese H elicopter Research and Development Institute,Jingdezhen333001,Jiangxi,China)摘要:研究了3.5%(质量分数)NaCl溶液和去离子水两种介质分别在30e和80e两个温度下溶液浸泡对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响。

研究发现:浸泡使复合材料的力学性能下降,80e下浸泡使复合材料力学性能下降更显著;低温下介质组分对复合材料的影响不是很明显,80e下去离水中浸泡对复合材料的静态力学性能破坏更显著。

关键词:碳纤维增强树脂基复合材料;湿热老化;腐蚀中图分类号:TB383文献标识码:A文章编号:100124381(2005)1120050204Abstr act:In order to study the influence of solution immersion on mechanism pr operties of carbon fi2 ber reinfor ced epoxy resin composites, 3.5%(mass fraction)NaCl and pur e water solution were used to immer sion solution,and the immersion temperature were30e and80e respectively.The r esults showed that the mechanical pr operties of carbon fiber reinforced epoxy resin composites decreased af2 ter the composites wer e immer sed by the3.5%N aCl and pure water solution,and the decrease of me2 chanical properties was more obvious in80e temperature immersion solutions.T he effect of solution contents on mechanical properties was not obvious at30e,however at80e the decr easing of me2 chanical properties of carbon fiber/epoxy composites in pur e water was more notable.Key words:carbon fiber reinforced epoxy resin composites;wet/hot aging;corr osion复合材料以其优异的力学性能在现代飞机结构部件,特别是直升机上得到了广泛的应用。

高性能纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究进展
李佳楠;姜亚明;项赫;杨晨
【期刊名称】《化工新型材料》
【年(卷),期】2024(52)1
【摘要】高性能纤维增强树脂基复合材料具有卓越的结构整体性及抗分层等特性,在诸多工业领域中具有广泛适用性。

在其储藏及使用时,制件强度会不可避免地因湿热老化造成降解和退化。

探讨和揭示高性能纤维增强树脂基复合材料在不同湿热老化环境下的力学响应,对其结构件的耐久性、安全服役性能和寿命预估具有至关重要的意义。

综述了国内外高性能纤维增强树脂基复合材料湿热老化方面的研究进展,介绍了其吸湿机理以及在湿热环境下的老化机理。

梳理了湿热老化环境对于高性能纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响,寿命预测模型等。

最后指出了高性能纤维增强树脂基复合材料老化研究存在的问题、面临的挑战,对未来研究发展方向提出了展望。

【总页数】7页(P1-7)
【作者】李佳楠;姜亚明;项赫;杨晨
【作者单位】天津工业大学纺织科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
1.纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究进展
2.纤维增强树脂基复合材料芯模拟湿热老化性能
3.碳纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究进展
4.湿热-高温循环老化对碳纤维增强双马树脂基复合材料界面性能的影响
5.纤维增强树脂基复合材料湿热老化行为的研究进展
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纤维增强复合材料的水热老化性能研究纤维增强复合材料在现代工程领域中的应用越来越广泛，对其性能的研究也逐渐深入。

其中，水热老化是纤维增强复合材料在实际使用中需要考虑的主要问题之一。

本文将探讨纤维增强复合材料的水热老化性能研究，以及相关的加工和改进方法。

首先，让我们来了解一下水热老化对纤维增强复合材料的影响。

水热老化是指纤维增强复合材料在潮湿或高温高湿环境下的性能衰退。

在这种环境下，水分或湿气会渗透进复合材料中，导致纤维与基体界面的附着力减弱，甚至可能破坏纤维的结构。

此外，水热老化还会引起复合材料的物理性能和化学性能的变化，如强度、刚度、热稳定性等的下降。

因此，研究纤维增强复合材料的水热老化性能对于提高其使用性能和寿命具有重要意义。

针对纤维增强复合材料的水热老化性能研究，一个重要的方面是研究纤维与基体界面的粘接强度。

改善纤维与基体界面的附着力可以有效地提高复合材料的耐水热老化性能。

一种常用的方法是在纤维和基体接触面上引入化学交联剂，以增加纤维与基体之间的化学键连接。

此外，通过表面处理来增加纤维与基体之间的机械锁定也是一种有效的方法。

这些改进策略可以提高纤维与基体的结合强度，从而提升纤维增强复合材料的水热老化性能。

除了界面粘接强度的研究，还有一些其他方面的水热老化性能研究也是非常重要的。

例如，研究纤维增强复合材料的水热老化对其物理性能的影响。

这包括强度、刚度、断裂韧性等方面的变化。

通过实验测试和数值模拟等手段，可以确定复合材料在水热老化条件下的性能变化规律，为工程设计提供依据。

此外，还可以对复合材料进行不同的水热老化处理，比较其性能的差异，以寻找出最佳的使用条件和工艺。

总结起来，纤维增强复合材料的水热老化性能研究是一项重要的课题。

通过研究纤维与基体界面的粘接强度、物理性能的变化以及加工和改进方法，可以提高纤维增强复合材料在水热老化条件下的使用性能和寿命。

随着科学技术的不断进步，对纤维增强复合材料水热老化性能研究的深入，将为该领域的发展和应用提供更多可能性。