碳纤维产品耐湿热性能解读

　　碳纤维增强树脂基复合材料因其轻质、高强度和耐腐蚀等优点，在航空航天、汽车、电子等多个领域得到广泛应用。然而，湿热环境通过湿度和温度的协同作用对其性能影响显著。本文将深入探讨碳纤维增强复合材料在湿热老化环境下的性能及其机理变化，并结合具体研究和应用案例进行解析。

　　湿热环境对碳纤维复合材料的影响比较大，从微观机理角度看，湿热老化环境会导致树脂与纤维的界面发生破坏，微观上表现为树脂与纤维的分离。这种界面破坏会影响复合材料的整体性能，导致力学性能下降。在宏观上，复合材料的拉伸强度、层间剪切强度等力学性能会显著降低，对结构安全产生威胁。

　　湿热环境对于复合材料的性能也有一定的影响：

　　拉伸强度：湿热老化会导致复合材料的拉伸强度下降，尤其是在高温高湿条件下。

　　层间剪切强度：湿热老化会导致复合材料的层间剪切强度显著降低，这是由于树脂与纤维界面的破坏所致。

　　模量：湿热老化对复合材料的模量影响较小，但也会有所下降。

　　针对湿热环境对于复合材料性能影响的具体方面，从《不同种类纤维增强复合材料湿热老化性能对比研究》这篇研究报告中对碳纤维含量为60%的单向碳纤维复合材料(CFRP)、玻璃纤维复合材料(GFRP)和亚麻纤维复合材料(FFRP)进行了湿热老化试验。可以看出玻璃纤维复合材料在老化后的拉伸强度和层间剪切强度大幅度降低，拉伸模量下降幅度较小。烘干后，拉伸性能部分恢复，但层间剪切强度基本未恢复。这表明玻璃纤维复合材料在老化过程中发生了玻璃纤维水解及界面脱粘等不可逆变化。

　　注：面内剪切载荷下CFRP的典型应力-应变曲线

　　亚麻纤维复合材料在吸水后发生了塑化，拉伸强度略微提高，而拉伸模量和层间剪切强度急剧下降后保持稳定。烘干后，拉伸强度反而大幅下降，拉伸模量及层间剪切强度大幅上升。这与水分的塑化作用、纤维及基体的膨胀和降解等变化有关。

　　而碳纤维复合材料与上述两种复合材料不同，碳纤维复合材料的拉伸性能随老化时间的增加几乎不变，而层间剪切强度小幅下降。烘干后，其拉伸性能及层间剪切性能与未老化时相同，未发生不可逆变化。这表明碳纤维复合材料在湿热老化过程中具有较好的耐湿热性能。

　　虽然碳纤维复合材料的耐湿热表现更好，但在实际的生产应用中还是要针对性的调整，才能更好的确保产品应用表现更好。在《国产CCF300碳纤维及CCF300/EH503R3复合材料湿热性能研究》中，针对特定碳纤维树脂基复合材料的湿热老化情况进行了研究。实验证明，CCF300/EH503R3复合材料在室温/干态环境下，90°拉伸断裂形貌主要为基体破坏，碳纤维没有明显断裂，且纤维表面包裹大量树脂，表明碳纤维与树脂之间具有较强的界面结合性能。

　　注：CFRP试样短梁剪切试验典型破坏模式

　　在93℃/干态测试环境下，出现少量树脂撕裂的碎屑，有轻微的碳纤维脱粘现象。湿热处理后，随着测试温度的升高，沿纤维轴向出现少量裂纹，纤维表面包裹的树脂减少，脱粘现象增多，纤维与树脂之间的结合力减弱。但在132℃/湿态测试温度下，碳纤维与树脂仍然能结合紧密，表明CCF300/EH503R3复合材料具有优异的界面性能和耐湿热性能。

　　这样的结果下，再结合实际的产品生产经验，就能针对性的给到碳纤维复合材料产品方案，根据产品应用的情况，来衡量其性能需求，进而从树脂基体、碳纤维原丝型号、改性方案、成型工艺等诸多环节入手，给出合理的设计方案，保证产品实际应用性能。这也是国内碳纤维零部件制造商智上新材料科技在客户沟通开始之时，先看产品图纸再了解其产品应用需求，然后给设计方案的原因。

　　那随着材料领域的不断的进步，通过界面改性、原丝性能提升，必然能够使碳纤维复合材料在湿热性能上进一步得到提升。碳纤维复合材料制品也将在更多领域发挥重要作用。