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

       PAH-2是法德聯(lián)合研制的武裝直升機,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)合材料在機身上的用量明顯增多,號稱80%復(fù)合 材料的直升機。NH-90為全復(fù)合材料機體結(jié)構(gòu),在機體結(jié)構(gòu)中,除發(fā)動機平臺防火墻和部分加強件采 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,還提高了抗腐蝕和損傷容限的能力,減少了雷 達特征信號。RAH-66雖已下馬,但仍不失為當代 新開發(fā)的先進武裝直升機的目標,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì) 量占機體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的54%,其中碳纖維/環(huán)氧樹脂 占結(jié)構(gòu)的44%。主承力件采用IM7碳纖維和增韌 環(huán)氧樹脂8552,IM7碳纖維復(fù)合材料與T300碳纖 維復(fù)合材料相比,強度增加了20%~40%,剛度增 加了35%,損傷容限提高了近100%,低速沖擊后壓 縮強度高1倍,使用這種新型復(fù)合材料后,機身結(jié)構(gòu)質(zhì)量比用金屬材料減輕了34%,比T300級別的復(fù)合材料輕14%。

       按照上述發(fā)展趨勢,高性能復(fù)合材料還將得到更廣泛的應(yīng)用。然而,腐蝕問題卻是制約直升機發(fā)展的重要因素之一。據(jù)資料顯示,國內(nèi)外每年由于腐蝕問題造成的各種損失高達數(shù)百億。由于我國對復(fù)合材料的耐腐蝕問題尚未開展過深入研究,因此, 深入研究復(fù)合材料與環(huán)境相互作用所發(fā)生的腐蝕失效的機理問題是一重要課題。本項目通過對復(fù)合材料進行浸泡腐蝕等試驗,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)境因子影響試驗與分析

       1.1　試驗材料

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

       1.2　試驗設(shè)備

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

       1.3　試驗內(nèi)容

       根據(jù)工程經(jīng)驗,復(fù)合材料的腐蝕老化與溫度、時 間、腐蝕介質(zhì)密切相關(guān),試驗著重研究此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

       三因素三水平正交試驗。

       試樣尺寸:20 mm×6 mm×2 mm;

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

       溶液溫度:30、55、80℃;

       浸泡時間:10、20、30 d。

       1.3.2　熱老化試驗

       此試驗為考察在沒有其它因素作用時,單純的 高溫對材料力學(xué)性能和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響,試 驗取一個溫度水平,3個試驗周期(時間水平)。

       1.3.3　吸濕率與溫度、時間關(guān)系曲線的測定試驗 試驗主要是測定復(fù)合材料浸泡在NaCl溶液 (NaCl的質(zhì)量分數(shù)為3%)中,吸濕率與溫度和時間 的關(guān)系。

       1.3.4　試驗結(jié)果處理

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

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

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

       1.4　試驗結(jié)果及分析

       1.4.1　正交試驗

       正交因素水平見表1。

           

 將所得各組試樣的層間剪切強度值和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度值填入正交表,計算出相關(guān)項(水平1、2、3分別對應(yīng)的目標函數(shù)及其相應(yīng)的極差),見表2。

            

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

      由表2可知,極差R21>>R31>>R11,即當因 素2(溫度)變動時,層間剪切強度值的波動最大,且 遠大于因素1和因素3變動時對剪切強度的影響, 因此,當目標函數(shù)是層間剪切強度時,最顯著因子為 溫度。
 同時,R22>>R32>>R12,即當因素2(溫度)變動時,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度值的波動也是最大的,且遠大 于因素1和因素3變動時對玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響。因此,當目標函數(shù)為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時,最顯著因子仍為溫度。

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