关于温度对树脂基复合材料性能影响的研究进展

第2 8卷第4期天津工业大学学报

JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITY

Vol.28No.4关于温度对树脂基复合材料性能影响的研究进展

贺桂芳，李嘉禄

（天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津

300160）

摘要：归纳和总结了近几年来关于温度对树脂基复合材料的力学性能、阻尼性能、吸湿性能和电性能的影响方面

的研究进展，对该领域的重要研究成果作了详细介绍. 并指出目前研究都局限于单一增强体结构，与实际应用情况有较大差距，应进一步开展关于温度对不同增强体结构复合材料性能影响的对比研究.

关键词：温度；树脂基复合材料；力学性能；电学性能中图分类号：TB332

文献标识码：A

文章编号：1671-024X （200 9）0 4-00 19-0 4

Research progress of effect of temperature on properties of resin-based composites

（Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials of Ministry of Education ，Tianjin Polytechnic University ，Abstract ：The recent development about the effect of temperature on the mechanical properties ，damping properties ，

important research results are introduced in detail. It points out that most of these studies are limited to a single reinforcement structure and have a greater gap from the actual use. The comparative studies should be

Key words ：temperature ；resin-based composites ；mechanical properties ；electric properties

further carried out on the impact of temperature on composite materials with different reinforcement structure. moisture absorption and electrical properties of resin matrix composite are summarized ，and the progress of

Tianjin 300160，China ）

HE Gui-fang ，LI Jia-lu

近年来，复合材料作为金属材料的替代品，在航空航天、国防、工业生产等部门得到了广泛应用. 它具

低密有其他材料所无法比拟的高比强度和高比刚度、

度、抗疲劳以及可设计性强等独特优点，拥有广阔的发展前景. 随着复合材料应用领域不断扩大，其应用环境也呈现出较大的差异. 不同的使用环境温度对树

（正文中简称复合材料）脂基复合材料的性能有一定

影响. 因此，研究在不同温度环境下树脂基复合材料的性能已经成为当前复合材料研究中的一项重要内容. 近十年来，国外主要针对碳纤维复合材料进行研究，国内则侧重于纤维增强方面，但总体来说，这方面的研究还较少. 本文对当前有关温度对复合材料（树脂基为主）的性能影响方面的主要研究工作进行总结，并就国内外研究中增强体结构单一的问题提出了一些建议.

收稿日期：2009-02-25

1对力学性能的影响

从20世纪90年代末开始，许多专家通过实验和

数学方法针对温度对复合材料的力学性能影响进行了大量的试验探索和理论研究，取得了可喜的成果，主要表现在以下几个方面. 1.1对拉伸性能影响

材料的拉伸性能是力学性能的重要方面，而作为重要环境指标的温度对材料拉伸性能的影响很早就引起了人们的关注.

1997年山东工业大学汤红卫等[1]等研究了复合材料层板在拉—拉疲劳载荷作用下的温升规律，讨论了利用温升作为损伤参量来表征复合材料疲劳损伤规律的可行性. 试验过程中温度升高，可以看作是材料结构性能变化的标志，因此可以用温升来表征材料的

（08JC2DJC25700）基金项目：天津市重点基金项目

作者简介：贺桂芳（1983—），女，硕士研究生；李嘉禄（1947—），男，教授，博士生导师. E-mail ：[email protected]

天津工业大学学报第28卷

损伤. 用这种方法可以得到与采用刚度降、剩余强度表示损伤氧层板1998一实施冲击拉伸试年致西北的结工业大学论.

验过程韩小平中发现等[2]在对玻璃布-环

：

玻璃布环氧层板是应变率、温度相关的材料，在同一应变率下，当环

境温度升高时，模量和拉伸强度明显降低. 2003年美国克拉克-亚特兰大学David Veazie 等[3]全面研究了温度和湿度对可伸长白杨聚丙烯复合材料的性能影响，认为高温和干燥的环境可减少材料的伸长. 2008年北京航空材料研究院王海鹏等[4]用MTS sintech 65/G 型

材料试验机对不同温度条件下（80℃ 、室温）玻璃纤维

复合材料拉伸强度进行试验，并利用简单线性回归方法，对不同温度条件下材料拉伸强度进行了拟合，

预测了低温（-55℃ ）条件下的拉伸强度，通过与试验

结1.2果对比，发现吻合较好. 2005对弯曲性能的影响

年西安交通大学蔡洪层能合等[5]研究了玻璃纤维

增强树脂基复合材料（GFRP ）板的弯曲强度高温

加速试验中时间和温度的相关性. 在不同的温度和加载速率下进行了三点弯曲试验，认为GFRP 层合板的

弯曲高温长时失效机理为玻璃纤维拉伸延迟断裂；

同时指出GFRP 层合板的弯曲强度取决于基体树脂的粘弹性性能；GFRP 层合板弯曲强度的时间温度相关性成立2008.

素中，年温南京林度是对业大学木塑复合材料蒋永涛等[6]提出，在众多环境因性能影响最显著的因素之一，在一定温度范围内，木塑复合材料的抗弯性能随温Tajvidi 度的升高而降低. 同年行了等伊朗德黑兰大学Mehdi [7]对纤维素复合材料和尼龙6在不同温度下进动态和静态实验研究，结果发现：随着温度升

高，弯曲强度、弯曲模量、

拉伸强度和拉伸模量都会下降，而对弯曲和拉伸强度的影响最大；在抵制温度对性能1.3的2006对剪切性能的影响

影响方面，纤维素复合材料比尼龙6要好. 年北京料工业大学与混凝土邓宗才的抗剪切粘等[8]在研究温度对芳纶纤维增强塑结强度的影响时发现，-40~ 60℃ 之间的温度段内，其抗剪切粘结强度变化较小，破坏形态均为混凝土试块的破坏；而当温度达70℃ 时，抗剪切粘结强度降低程度非常大，且破坏形态发展为树脂与混凝土粘结层的破坏. 2006年巴西圣保罗州立大学Botelho 等[9]研究了碳/环氧树脂铺层复合材料在湿热环境下的层间剪切性能. 通过短

臂梁剪切测试发现，低温环境下，该复合材料的层间剪切性能比室温下降低了21%和18%. 剪切模量同样

1.4

也有下降趋势，分别降低了14.1%和17.6%.

2006温度对其他力学性能的影响

的年石墨美国/佛环罗氧里树脂达大学复合材料Kalarikkal 悬臂梁等[10]对室温和冷冻下试样进行了断裂韧性测试，对以不同织造方式织物增强的复合材料进行室温和冷冻状态对比，结果发现机织物在冷冻状态下断裂韧性恶化趋势相对较轻，表明机织复合材料在轻量级低温储存方面有潜力；在对进行纳米处理和不进行纳米处理的织物进行对比实验时发现，经纳米技术处理后，织物在低温下断裂韧性优良，与未经过处两种方2008理的法分析年相美比有了国碳韦恩很大的/环氧州立提和玻璃大学高.

/环Samirkumar 氧的夹层结构等[11]采用

在疲

劳测试过程中从室温（22℃ ）降到零下66℃ 时的硬度降低，结果表明：从22℃ 到0℃ ，两种材料的梁通过缓

慢和稳定的硬度降低率表现了比较明显的疲劳警示；在0℃ 时，早期的警示在慢慢变少；-60℃ 时，两种梁都变得很硬，而且表现出不再降低的趋势，材料在没有任何警示的情况下意外变脆损坏. 因此，在低温环境下，测试复合材料的疲劳性能是很困难的.

2对吸湿性能的影响

复合材料尤其是树脂基复合材料构件在湿度较高的区域工作，树脂吸湿可能导致材料的性能退化，因此研究其在2000年加温拿度氧大影响下树脂阿尔伯的浸润大学吸湿是很有意义的.

于蒸馏水Ellyin 环境下等[12]通过实验发现，玻璃纤维环的吸湿率主要取决于它所浸润的水温. 水温为90℃ 时，其强度和延展性都要下降. 水温在30℃ 下，吸湿饱和为8%，复合材料的机械性能几乎不变.

国内这项研究较早的是在2004年西北工业大学管国阳[13]等对不同含湿量的T300/5405单向板在不同温度条件下的层间断裂韧性进行的试验研究，结果表

明：常温下，含湿量并不会对层板的断裂韧性产生显著影响；高温下随含湿量增高层压板的韧性有明显改善；材料含湿量较高时，随温度升高，层压板层间断裂韧性提高. 同年，天津大学王红霞等[14]以光固化丙烯酸类树脂为基体，以玻璃纤维为增强体，制备了三维编织纤维增强光固化树脂基复合材料，讨论了温度对材料吸湿性能的影响，认为温度对水在树脂基复合材料

中的扩散速度影响很大，

温度越高，吸湿量越大. 北京航空航天大学栗晓飞等[15]经过正交试验对环境因素进行筛选，认为温度是影响复合材料腐蚀的最显著环境

第4期

贺桂芳, 等: 关于温度对树脂基复合材料性能影响的研究进展

—21—

因子；相同湿度下，温度越高，吸水速率越快，平衡吸湿量越高，腐蚀就越严重. 2005年北京航空航天大学吕小军等[16]研究了3.5%（质量分数）NaCl 溶液和去离子水两种介质分别在30℃ 和80℃ 两个温度下浸泡碳纤维增强树脂基复合材料对其力学性能的影响，研究发现：浸泡使复合材料的力学性能下降，而且温度越高，复合材料力学性能下降越显著；低温下介质组分对复合材料的影响不是很明显，而80℃ 时去离子水浸泡对复合材料的静态力学性能破坏则很显著.

3对阻尼的影响

温度除了对复合材料的力学性能、吸湿有影响

外，对材料阻尼也有一定的影响. 这是因为复合材料结构在加工安装、实际应用时存在易于破损等缺点，

为复合材料结构的维护、

检测以及振动控制等带来了许多问题.

早在2000年中国某研究所黄瑞芬等[17]就曾提出，温度是强烈影响材料阻尼性能的一个重要因素. 2008年哈尔滨工业大学潘利剑等[18]发现当温度处于阻尼层

玻璃态和高弹态区域时，共固化复合材料

（成型复合材料的工艺过程中，将黏弹性阻尼材料作为特定的辅

层嵌入到复合材料结构中去，

与复合材料一起固化成型）损耗因子较小且随温度变化不大；当温度处于阻

尼层黏流态区域时，共固化复合材料的损耗因子迅速增加到最大值后变小，最大损耗因子为19.2%，约为未插入黏弹阻尼层复合材料的13倍. 当温度处于黏弹阻尼层高弹态区域，共固化复合材料的损耗因子基本不受阻尼层损耗因子的减小以及界面阻尼等因素的影响. 2008年上海交通大学杨和振等[19]通过动力测试试验研究了环境条件变化对复合材料层合板振动特性的影响，在此试验中发现：复合材料层合板结构固有频率及阻尼比与温度变化存在逆相关关系，而所识别的模态振型变化并没有非常清晰的相关关系；所有试件识别的固有频率随着温度的增加而减小；温度增加，阻尼比也会减小.

4对电学性能影响

近年来，对电学性能的影响也成了人们研究的一

个重要方面，尤其是应用于航天航空领域的复合材料，温度对其电学性能的水煮1997时间对年哈5种尔偶联剂滨工业大学影响是处理前陈不容后平的等忽视的.

[20]研究了温度和玻璃纤维/环氧树

脂基复合材料界面层介电性能的影响. 他们认为，温度和水煮时间对其复合界面层的介电性能均有强烈的影响，其影响的程度与界面在该状态下的极化强度成正比. 2002年北京航空航天大学赵小虎等[21]采用自行设计与研制的灯丝放电磁场约束型原子氧效应地面模拟设备考察了试样温度升高对碳纤维/环氧树脂原子氧剥蚀效应的影响，发现t =10h 时随试样表面温0.000度的20031升g 的高年减试陕小样西，天的非平质的量变化感量为（0. Δ M 000）c 变化不大（有纤维增金属材料研究所李05强材料和树脂超g 基等）.

[22]探讨了航天透波复合材料体的研究进展，说明在高空飞行环境下，材料厚度方向存在极大温度差，甚至发生物态变化，材料在不同的温度和

物态下具有不同的介电性能. 2007年武汉理工大学卢

艳华等[23]以乙烯基酯树脂作为基体，

用不同质量分数的短切碳纤维制备了导电复合材料，研究了材料的电阻PTC 率与温度对伏安特性的影响度升降过程转变温度中随碳纤维，导电复合材料的质量分数，认升的为导温增曲线加电而升复合材料的和降高；温在曲线温不能重合，存在回滞环，随着碳纤维质量分数的增加，回滞环的面积变小；在同一温度下，降温曲线对应的电阻率比升温曲线对应的电阻率会高一些.

5结束语

综上所述，研究人员在温度对树脂基复合材料性能影响的研究领域取得了很大成绩，特别是在力学性能、电性能、吸湿性能方面取得了许多研究成果，在研究方法上也有创新，为复合材料的应用提供了坚实的理论依据. 但是目前人们的研究对象还仅仅局限在单一增强体结构，与实际应用情况还有较大差距. 鉴于这种情况，笔者认为，不仅要进一步研究层合板复合材料的温度性能，还要研究三维纺织结构复合材料的温度性能，比较不同增强体结构温度性能的不同，为使用提供更多的选择空间. 同时，在实验研究的基础上，要进一步加强理论预测和分析的研究水平，使实验研究有一个更好的理论基础，使复合材料的优良性能发挥到极致. 参考文献：

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