GBT 43113-2023 碳纤维增强复合材料耐湿热性能评价方法

碳纤维增强复合材料耐湿热性能评价方法I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国建筑材料联合会提出。本文件由全国纤维增强塑料标准化技术委员会(SAC/TC39)归口。本文件起草单位：哈尔滨工业大学、中国石化上海石油化工股份有限公司、北京科技大学、中冶建筑研究总院有限公司、北京玻钢院检测中心有限公司、长三角碳纤维及复合材料技术创新中心、清华大学、浙江理工大学、北京玻钢院复合材料有限公司。本文件主要起草人：咸贵军、黄翔宇、岳清瑞、杨勇新、益小苏、辛美音、刘晓刚、张海雁、李承高、1碳纤维增强复合材料耐湿热性能评价方法1范围本文件规定了碳纤维增强复合材料耐湿热性能评价方法的试验原理、试验设备、试样、试验条件、试本文件适用于无外加应力下碳纤维增强树脂基复合材料的耐湿热性能评价。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T1034塑料吸水性的测定GB/T1446纤维增强塑料性能试验方法总则GB/T1447纤维增强塑料拉伸性能试验方法GB/T1449纤维增强塑料弯曲性能试验方法GB/T2573—2008玻璃纤维增强塑料老化性能试验方法GB/T17657人造板及饰面人造板理化性能试验方法GB/T30969聚合物基复合材料短梁剪切强度试验方法GB/T40396聚合物基复合材料玻璃化转变温度试验方法动态力学分析法(DMA)3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。费克扩散fickiandiffusion描述水分子在碳纤维增强复合材料中扩散过程的理论模型。注：该模型符合一维第二费克定理。湿态极限力学性能wetstateultimatemechanicalproperties在给定湿热条件下，随着暴露时间延长，碳纤维增强复合材料逐渐趋于稳定的力学性能。溶胀率swellingratio碳纤维增强复合材料在湿热环境暴露一定时间后的尺寸变化率。4试验原理根据碳纤维增强复合材料试样在一定湿热条件下的吸水率，以及尺寸、玻璃化转变温度与力学性能2(拉伸性能、弯曲性能与短梁剪切强度)的变化程度，评价碳纤维增强复合材料的耐湿热性能。分度值不大于±0.1mg。5.2恒温恒湿箱温度控制精度不大于±2℃,相对湿度控制精度不大于±5%。5.3恒温水浴温度控制精度不大于±2℃。5.4温湿交变箱温度控制精度不大于士2℃,相对湿度控制精度不大于±5%,升温速率不大于1℃/min。5.5动态热力学性能分析仪温度控制精度不大于士1℃,升温速率能达到1℃/min～10℃/min,测试频率能达到0.1Hz~5.6力学性能试验机荷载相对误差不大于±1%。6试样6.1试样制备应符合GB/T1446的规定。6.2碳纤维增强复合材料吸水率测试试样宜为正方形片材或棒材，片材试样边长与厚度比值宜大于20;棒材试样长度与直径比值宜大于30。平行试样间的尺寸偏差宜小于5%。试样质量宜大于或等于5g且小于或等于50g。片材厚度宜小于或等于2.5mm,棒材直径宜小于或等于6mm。注：试样厚度或直径过大，湿热处理时间需要相应增加，直至达到平衡吸水率。6.3试样封边处理：利用环氧树脂或其他与碳纤维增强复合材料有较好黏结且吸水率较低的树脂，对碳纤维增强复合材料试样的切断面进行涂覆处理，厚度宜小于1mm。注：对片材厚度方向或棒材长度方向垂直的切割端面进行封边处理。6.4玻璃化转变温度试样在测试前宜采用真空烘箱用耐高温密封油涂覆，涂覆厚度宜小于1mm,避免测试升温过程中材料表面烘干而影响测试结果。6.5力学性能试样在测试前需要进行加工处理时，如拉伸性能测试试样端部加垫片，宜用保鲜膜缠绕保护碳纤维增强复合材料不需要处理部分，降低试样在加工处理过程中的水分蒸发；测试前碳纤维增强复合材料试样不应接触高温高湿等环境。6.6试样编号标记应清晰耐久，且不能影响试验结果。6.7试样数量要求：吸水率测试试样每组不少于10个，并保证同批有10个有效试样；力学性能测试试样每组不少于5个，并保证同批有5个有效试样；玻璃化转变温度测试试样每组不少于2个，并保证同批有2个有效试样。37试验条件7.1在湿热暴露前，碳纤维增强复合材料试样需要进行预处理，推荐的预处理条件为(60±2)℃,处理时间为(48±2)h。将预处理后的碳纤维增强复合材料试样放入恒温水浴、恒温恒湿箱或温湿交变箱，试样相互间、与箱壁间不应接触，试样与箱壁、箱底和箱顶的距离不宜小于15cm,并避免冷凝水滴落在试样上。除另有规定外，试验可选用7.2～7.4条件之一。7.2恒温浸泡的温度推荐为(23±2)℃、(40±2)℃与(60±2)℃;浸泡介质推荐采用蒸馏水或去离子水，也可根据材料服役环境选用对应介质；浸泡时间宜大于试样的吸水饱和时间，推荐为3个月；根据测试目的，选用一个或多个测试温度。7.3恒温恒湿暴露的温度推荐为(23±2)℃、(40±2)℃与(60±2)℃,相对湿度推荐为(50±5)%、(85±5)%与(93±5)%;根据测试目的，选用一个或多个测试温度与相对湿度；暴露时间宜大于试样的吸水饱和时间，推荐为3个月。7.4温湿交变暴露推荐以24h为一个试验周期，每一个周期分为升温、高温高湿、降温和低温高湿4个连续阶段，推荐采用90个试验周期。每个阶段的温度要求及控制程序见图1,每个阶段的温度控制参数如下：——升温阶段：在t₁时间内，温度从低温(T。)均匀升高至高温(T,);——高温高湿阶段：在t₂时间内，温度保持在高温(Tn);——降温阶段：在t₁时间内，温度从高温(Tj)均匀降低至低温(T。);——低温高湿阶段：在t₂时间内，温度保持在低温(T。)。注：每一个周期内的相对湿度为(93±5)%,湿度调节用水采用蒸馏水或去离子水，也可根据材料服役环境选择；T。为(23±2)℃,T₁为(60±2)℃;t₁为(2±0.5)h,t₂为(10±0.5)h。图1温湿交变暴露过程8试验步骤8.1试样外观检查8.2吸水率测试称量预处理后每个试样的质量，作为试样的初始质量(mo)。将预处理后的试样置于湿热环境暴露4一定时间后，从环境箱中取出，擦拭掉试样表面水珠，测试试样吸水后质量(m,)。吸水试样从湿热环境中取出至测试完成并放回环境箱中，推荐在2min内完成。不同湿热条件下的试样吸水率测试时间间隔推荐采用下列规定：a)对恒温浸泡与恒温恒湿暴露，吸水率测试时间间隔为1h、2h、4h、8h、24h、2d、4d、7d、2周、b)对温湿交变暴露，吸水率测试时间间隔为1个周期、2个周期、5个周期、10个周期、30个周期、60个周期、90个周期，或直至试样质量稳定，达到饱和吸水状态。8.3尺寸测量尺寸测量应符合GB/T17657的规定，测量精度推荐为±0.002mm。尺寸测量试样与吸水率测试用试样相同，测试时间间隔与吸水率测试一致。试样经预处理后，测量每个试样的厚度(片材)或直径(棒材),作为试样初始厚度(t₀)或初始直径(d₀);将在湿热环境暴露一定时间后的试样从环境箱中取出，擦拭掉试样表面水珠，在标准实验室环境下冷却至室温后，测试试样的厚度(t;)或直径(d;)。8.4玻璃化转变温度测试湿热暴露后的碳纤维增强复合材料试样冷却至室温后，测试玻璃化转变温度。玻璃化转变温度测试应符合GB/T40396的规定。推荐采用三点弯曲或悬臂梁方式加载，测试试样中纤维主要取向方向垂直于加载方向，测试升温速率推荐为5℃/min,测试频率推荐为1Hz。玻璃化转变温度测试试样厚度与吸水率测试试样相同，测试间隔推荐为7d、14d、4周，4周后推荐以4周为周期进行测试。8.5力学性能测试湿热暴露后的碳纤维增强复合材料试样冷却至室温后，测试力学性能。力学性能测试包括拉伸性能、弯曲性能与短梁剪切强度，分别应符合GB/T1447、GB/T1449与GB/T30969的规定，测试环境为标准实验室环境。力学性能测试间隔推荐每14d为一个周期，如周期内性能变化不大，可采用更长的时间间隔周期。8.6湿态极限力学性能测试测定试样湿态极限力学性能时，推荐每14d为一个周期，每个周期取一组试样按规定的性能测试标准进行，直至测试性能随时间的变化趋近于稳定，湿态极限力学性能值确定方法按照GB/T2573—2008中5.3的规定。如在规定的试验时间内，无法测得湿态极限力学性能值，推荐延长测试时间，直至测试数值为湿态极限力学性能值，或根据力学性能测试值下降趋势延伸确定。注：有些力学性能(如短梁剪切强度)在特定湿热环境下会持续下降，不能确定其湿态极限值。9结果计算9.1一般规定每组试样的算术平均值和标准差计算应符合GB/T1446规定。碳纤维增强复合材料试样的吸水率按公式(1)计算，保留两位有效数字：5GB/T43113—2023M,——碳纤维增强复合材料试样的吸水率，%;m:——在湿热环境暴露一定时间后碳纤维增强复合材料试样的质量，单位为克(g);m₀——碳纤维增强复合材料试样的初始质量，单位为克(g)。9.3溶胀率碳纤维增强复合材料片材吸水后厚度溶胀率按公式(2)计算，保留两位有效数字：S,碳纤维增强复合材料片材吸水后厚度溶胀率，%;…………h;——在湿热环境暴露一定时间后碳纤维增强复合材料片材的厚度，单位为毫米(mm);h₀——碳纤维增强复合材料片材的初始厚度，单位为毫米(mm)。碳纤维增强复合材料棒材吸水后直径溶胀率按公式(3)计算，保留两位有效数字：………………(3)式中：S₄——碳纤维增强复合材料棒材吸水后直径溶胀率，%;d;——在湿热环境暴露一定时间后碳纤维增强复合材料棒材的直径，单位为毫米(mm);d₀——碳纤维增强复合材料棒材的初始直径，单位为毫米(mm)。单位吸水率对应的吸水溶胀率按公式(4)或公式(5)计算，保留两位有效数字：………………HSR,——碳纤维增强复合材料片材单位吸水率对应的吸水溶胀率，%;HSR₄——碳纤维增强复合材料棒材单位吸水率对应的吸水溶胀率，%。9.4吸水曲线、扩散系数与平衡吸水率9.4.1吸水曲线针对恒温浸泡与恒温恒湿暴露试样，做M,与湿热环境暴露时间开方(t¹/2)的吸水曲线，判断水分子在碳纤维增强复合材料内的扩散过程是否符合费克定律或非费克定律特征(见图2),具体判断准则a)符合费克扩散特征：初期吸水率随着t¹/?增加而线性增加，随着浸泡时间进一步增加，吸水率趋于恒定；b)符合非费克扩散-溶胀特征：初期吸水率随着t¹/2增加而线性增加，随着浸泡时间进一步增c)符合非费克扩散-水解特征：初期吸水率随着t¹/2增加而线性增加，随着浸泡时间进一步增6f¹/2图2恒温浸泡或恒温恒湿暴露条件下碳纤维增强复合材料典型吸水曲线针对温湿交变暴露试样，可参考图2做吸水曲线，并根据曲线形状确定吸水扩散特征。9.4.2扩散系数与平衡吸水率9.4.2.1针对恒温浸泡与恒温恒湿暴露试样3种水分子扩散形式(见图2),扩散系数与平衡吸水率计算方法如下：a)方法一碳纤维增强复合材料片材试样吸水率(M,)与时间(t)的函数符合公式(6),碳纤维增强复合材料棒材试样吸水率(M)与时间(t)的函数符合公式(7),做M,—t曲线，通过数据拟合方法，获得吸水扩散系数(D),试样平衡吸水率(M)与吸水扩散常数(k)。式中：M.——试样平衡吸水率，%;k——吸水扩散常数，对费克扩散吸水过程，k=0;对非费克扩散-溶胀吸水过程，k>0;对非费克扩散-水解吸水过程，k<0;D——吸水扩散系数，单位为平方毫米每秒(mm²/s);t——湿热环境暴露时间，单位为秒(s);h——片材试样的厚度，单位为毫米(mm)。式中：R——棒材试样的半径，单位为毫米(mm);a,——第一类零阶贝塞尔函数的第n个根(参考值见附录A)。b)方法二按GB/T1034中规定的方法计算片材的扩散系数与平衡吸水率。9.4.2.2针对温湿交变暴露试样，可根据吸水曲线M,—t¹/2(见图2),将吸水过程初期的M,—t¹/?线性段与吸水过程后期M,—tl/2稳定线性段的延伸交点确定为平衡吸水率。注：由于暴露温度变化，无法确定温湿交变暴露试样的吸水扩散系数。9.5恒温恒湿暴露试样的平衡吸水率一定温度下碳纤维增强复合材料试样的平衡吸水率(M.)与相对湿度(φ)的关系符合公式(8),做7logM.—logp曲线，根据直线的截距与斜率，分别确定吸水常数a与吸水常数b。M.=aφ⁴ (8)式中：φ——相对湿度，%;a,b——吸水常数。9.6玻璃化转变温度碳纤维增强复合材料试样的玻璃化转变温度取损耗因子峰值对应的温度，如有多个损耗因子峰，取最大损耗峰值对应的温度。9.7力学性能保留率碳纤维增强复合材料试样拉伸性能、弯曲性能与短梁剪切强度测试分别符合GB/T1447、GB/T1449与GB/T30969的规定。根据上述测试结果，按照附录B计算碳纤维增强复合材料在特定温度下一定服役时间后的力学性能保留率，具体计算过程示例见附录C。10评价分级方法10.1一般规定碳纤维增强复合材料的耐湿热性能应通过外观检查结果、平衡吸水率、溶胀率、玻璃化转变温度、力学性能保留率等指标进行综合评价。其中，关键性能可选取碳纤维增强复合材料试样的力学性能保留率与玻璃化转变温度。根据应用要求，力学性能保留率可选取湿态极限力学性能(拉伸性能、弯曲性能或短梁剪切强度)保留率，或选取在特定温度下一定服役时间后试样的力学性能(拉伸性能、弯曲性能或短梁剪切强度)保留率。耐湿热性能试验周期推荐为3个月，如试样厚度过大，建议延长试验时间直至达到湿态极限力学性能状态或平衡吸水率。碳纤维增强复合材料溶胀率可作为对尺寸变化要求严格情况下的耐湿热性能评价指标。10.2碳纤维增强复合材料耐湿热性能评价等级达到耐湿热性能试验周期时，按表1评价碳纤维增强复合材料耐湿热性能的等级。表1碳纤维增强复合材料耐湿热性能评价等级耐湿热等级外观平衡吸水率及吸水曲线关键性能1级表面完好，无纤维暴露，无裂纹、气泡增加等现象平衡吸水率不高于1%,且吸水曲线符合费克扩散特征或非费克扩散-溶胀特征力学性能保留率不低于85%,且玻璃化转变温度降低不大于表面基本完好，纤维暴露不明显，无裂纹、气泡大量增加等现象平衡吸水率不高于1.5%,且吸水曲线符合费克扩散特征或非费克扩散-溶胀特征力学性能保留率不低于65%,且玻璃化转变温度降低不大于表面纤维暴露，或产生裂纹等破坏平衡吸水率高于1.5%,或吸水曲线符合非费克扩散-水解特征力学性能保留率低于65%,或玻璃化转变温度降低大于30℃811试验报告试验报告应包括下列内容：a)本文件名称及编号；b)试样编号、试样前后外观状况；c)采用的试验条件、试验周期和试样预处理条件；d)对于恒温浸泡或恒温恒湿暴露试样，给出每组试样的数量与水分子扩散曲线，明确扩散过程是否符合费克定律，给出平衡吸水率与扩散系数；e)对于湿热交变暴露试样，给出每组试样的数量、最大吸水率、算术平均值和标准差；f)对于其他物理、力学性能测试，给出每组试样的数量、性能值、算术平均值和标准差；g)对于湿态极限力学性能计算，给出每组试样的力学性能保留率；h)给出碳纤维增强复合材料的耐湿热性能评价等级。9(资料性)第一类零阶贝塞尔函数的根的参考值本文件第9章公式(7)中的参数α,按照表A.1的参考值计算确定。表A.1第一类零阶贝塞尔函数根的结果计算参考表(R·αn,n≤20)n计算结果12345678940.058543.199946.341349.4827GB/T43113—2023(规范性)力学性能保留率预测方法B.1通过试验获得碳纤维增强复合材料在3个温度(推荐23℃、40℃与60℃)下的力学性能随时间变化情况。根据时温等效原理，且假设在湿热条件下(恒温浸泡与恒温恒湿暴露),力学性能退化机理不变，采用阿伦尼乌斯方程，预测碳纤维增强复合材料在特定温度下的长期性能演化规律，并基于碳纤维增强复合材料服役性能指标，预测其实际服役温度下的力学性能保留率。B.2根据公式(B.1)对不同湿热暴露温度下碳纤维增强复合材料力学性能(拉伸性能、弯曲性能或短梁剪切强度)保留率(Y)与时间(t)拟合，获得回归参数(r)与碳纤维增强复合材料湿态极限力学性能保留率(Y。),模型示意图如图B.1所示。Y=(100-Y)exp(-t/r)+Y。…………(B.1)式中：Y——碳纤维增强复合材料力学性能保留率，%;r——回归参数，单位为秒(s);Y。——碳纤维增强复合材料湿态极限力学性能保留率，%。图B.1模型示意图(试验温度设置：T₁<T₂<T₃)B.3将确定的r代入公式(B.1),计算碳纤维增强复合材料在某一温度下达到特定力学性能保留率时所需的湿热暴露时间，力学性能保留率的个数应不少于3个，选取值应大于碳纤维增强复合材料湿态极限力学性能保留率。绘制In(1/t)与1/T的关系图，采用公式(B.2)进行数据拟合，获得回归参数…………(B.2)式中：A——常数；E₄——材料性能退化活化能，单位为千焦每摩尔(kJ/mol);R——通用气体常数；T——湿热暴露温度(开尔文绝对温度),单位为开尔文(K)。GB/T43113—2023B.4湿热暴露温度分别为T。和T₁时，性能退化到同一值Y所需的时间分别为t₀和t₁。根据公式(B.3)计算碳纤维增强复合材料在拟预测温度T,与试验温度T。之间的时移因子TSF,即碳纤维增强复合材料在不同的温度条件下力学性能演化至相同保留率所需的时间比值。…………(B.3)B.5将试验温度下力学性能保留率与时间的关系图中横坐标乘上对应的时移因子，得到实际服役温度下的力学性能保留率与时间的关系。采用公式(B.1)进行拟合，获得碳纤维增强复合材料在温度T₁下力学性能保留率的预测曲线(见图B.2)。B.6针对碳纤维增强复合材料某一力学性能保留率，可以根据图B.2确定温度T₁下碳纤维增强复合材料经历的湿热暴露时间。图B.2力学性能保留率的预测曲线(资料性)力学性能保留率预测方法示例120d)后获得的力学性能保留率