碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料因其輕質(zhì)、高強(qiáng)度和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)、電子等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，濕熱環(huán)境通過(guò)濕度和溫度的協(xié)同作用對(duì)其性能影響顯著。本文將深入探討碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在濕熱老化環(huán)境下的性能及其機(jī)理變化，并結(jié)合具體研究和應(yīng)用案例進(jìn)行解析。

　　濕熱環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料的影響比較大，從微觀機(jī)理角度看，濕熱老化環(huán)境會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂與纖維的界面發(fā)生破壞，微觀上表現(xiàn)為樹(shù)脂與纖維的分離。這種界面破壞會(huì)影響復(fù)合材料的整體性能，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。在宏觀上，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能會(huì)顯著降低，對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生威脅。

　　濕熱環(huán)境對(duì)于復(fù)合材料的性能也有一定的影響：

　　拉伸強(qiáng)度：濕熱老化會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度下降，尤其是在高溫高濕條件下。

　　層間剪切強(qiáng)度：濕熱老化會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度顯著降低，這是由于樹(shù)脂與纖維界面的破壞所致。

　　模量：濕熱老化對(duì)復(fù)合材料的模量影響較小，但也會(huì)有所下降。

　　針對(duì)濕熱環(huán)境對(duì)于復(fù)合材料性能影響的具體方面，從《不同種類(lèi)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料濕熱老化性能對(duì)比研究》這篇研究報(bào)告中對(duì)碳纖維含量為60%的單向碳纖維復(fù)合材料(CFRP)、玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)和亞麻纖維復(fù)合材料(FFRP)進(jìn)行了濕熱老化試驗(yàn)。可以看出玻璃纖維復(fù)合材料在老化后的拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度大幅度降低，拉伸模量下降幅度較小。烘干后，拉伸性能部分恢復(fù)，但層間剪切強(qiáng)度基本未恢復(fù)。這表明玻璃纖維復(fù)合材料在老化過(guò)程中發(fā)生了玻璃纖維水解及界面脫粘等不可逆變化。

　　注：面內(nèi)剪切載荷下CFRP的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

　　亞麻纖維復(fù)合材料在吸水后發(fā)生了塑化，拉伸強(qiáng)度略微提高，而拉伸模量和層間剪切強(qiáng)度急劇下降后保持穩(wěn)定。烘干后，拉伸強(qiáng)度反而大幅下降，拉伸模量及層間剪切強(qiáng)度大幅上升。這與水分的塑化作用、纖維及基體的膨脹和降解等變化有關(guān)。

　　而碳纖維復(fù)合材料與上述兩種復(fù)合材料不同，碳纖維復(fù)合材料的拉伸性能隨老化時(shí)間的增加幾乎不變，而層間剪切強(qiáng)度小幅下降。烘干后，其拉伸性能及層間剪切性能與未老化時(shí)相同，未發(fā)生不可逆變化。這表明碳纖維復(fù)合材料在濕熱老化過(guò)程中具有較好的耐濕熱性能。

　　雖然碳纖維復(fù)合材料的耐濕熱表現(xiàn)更好，但在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中還是要針對(duì)性的調(diào)整，才能更好的確保產(chǎn)品應(yīng)用表現(xiàn)更好。在《國(guó)產(chǎn)CCF300碳纖維及CCF300/EH503R3復(fù)合材料濕熱性能研究》中，針對(duì)特定碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的濕熱老化情況進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)證明，CCF300/EH503R3復(fù)合材料在室溫/干態(tài)環(huán)境下，90°拉伸斷裂形貌主要為基體破壞，碳纖維沒(méi)有明顯斷裂，且纖維表面包裹大量樹(shù)脂，表明碳纖維與樹(shù)脂之間具有較強(qiáng)的界面結(jié)合性能。

　　注：CFRP試樣短梁剪切試驗(yàn)典型破壞模式

　　在93℃/干態(tài)測(cè)試環(huán)境下，出現(xiàn)少量樹(shù)脂撕裂的碎屑，有輕微的碳纖維脫粘現(xiàn)象。濕熱處理后，隨著測(cè)試溫度的升高，沿纖維軸向出現(xiàn)少量裂紋，纖維表面包裹的樹(shù)脂減少，脫粘現(xiàn)象增多，纖維與樹(shù)脂之間的結(jié)合力減弱。但在132℃/濕態(tài)測(cè)試溫度下，碳纖維與樹(shù)脂仍然能結(jié)合緊密，表明CCF300/EH503R3復(fù)合材料具有優(yōu)異的界面性能和耐濕熱性能。

　　這樣的結(jié)果下，再結(jié)合實(shí)際的產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，就能針對(duì)性的給到碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品方案，根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用的情況，來(lái)衡量其性能需求，進(jìn)而從樹(shù)脂基體、碳纖維原絲型號(hào)、改性方案、成型工藝等諸多環(huán)節(jié)入手，給出合理的設(shè)計(jì)方案，保證產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用性能。這也是國(guó)內(nèi)碳纖維零部件制造商智上新材料科技在客戶溝通開(kāi)始之時(shí)，先看產(chǎn)品圖紙?jiān)倭私馄洚a(chǎn)品應(yīng)用需求，然后給設(shè)計(jì)方案的原因。

　　那隨著材料領(lǐng)域的不斷的進(jìn)步，通過(guò)界面改性、原絲性能提升，必然能夠使碳纖維復(fù)合材料在濕熱性能上進(jìn)一步得到提升。碳纖維復(fù)合材料制品也將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。