Влияние УФ-старения на эксплуатационные характеристики композитов на основе эпоксидной смолы, армированных углеродным волокном

Админ 15 января 2025 г. Знание

Композиты на основе эпоксидной смолы, армированные углеродным волокном (CFREC), широко используются в аэрокосмической, автомобильной и морской промышленности благодаря высокому соотношению прочности к весу, превосходным механическим свойствам и устойчивости к факторам окружающей среды. Однако длительное воздействие ультрафиолетового (УФ) излучения может ухудшить их характеристики. В данной статье исследуется влияние УФ-старения на механические, термические и физические свойства CFREC. В ней представлен обзор механизмов деградации, вызванной УФ-излучением, экспериментальных методов изучения УФ-старения и стратегий смягчения для повышения устойчивости к УФ-излучению.


1. Введение

Композиты из эпоксидной смолы, армированные углеродным волокном, стали незаменимыми в передовых инженерных приложениях. Их легкий вес и высокие эксплуатационные характеристики позволили добиться значительных успехов в проектировании конструкций. Однако долговечность этих материалов в условиях окружающей среды, особенно в условиях УФ-излучения, остается критической проблемой. УФ-старение приводит к фотоокислению, обесцвечиванию, поверхностной деградации и изменению механических свойств. Понимание эффектов УФ-старения имеет жизненно важное значение для прогнозирования срока службы CFREC и повышения их долговечности.


2. Механизмы деградации под воздействием УФ-излучения

УФ-излучение в первую очередь влияет на эпоксидную матрицу, поскольку углеродные волокна изначально устойчивы к УФ-излучению. Механизмы деградации включают:

  • Фотоокисление: УФ-фотоны разрушают химические связи в эпоксидной матрице, образуя свободные радикалы, которые реагируют с кислородом.
  • Разрыв цепи: Цепи эпоксидного полимера разрываются, что приводит к снижению молекулярной массы и изменению механических свойств.
  • Сшивание: Свободные радикалы приводят к чрезмерному сшиванию, вызывая хрупкость.
  • Поверхностная эрозия: Постоянное воздействие ультрафиолета приводит к потере массы и образованию шероховатой текстуры поверхности.

3. Экспериментальная методология

Для оценки эффектов старения под воздействием УФ-излучения применяются стандартизированные протоколы испытаний. Основные методики включают:

  1. Тестирование воздействия УФ-излучения:
    • Образцы подвергаются воздействию УФ-А и УФ-В излучения в контролируемых условиях.
    • Время воздействия для имитации старения варьируется от сотен до тысяч часов.
  2. Методы характеристики:
    • Механические испытания: Испытания на растяжение, изгиб и удар измеряют прочность и эластичность.
    • Термический анализ: Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) и термогравиметрический анализ (ТГА) оценивают термическую стабильность.
    • Морфология поверхности: Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) исследует деградацию поверхности.
    • Химический анализ: Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) выявляет химические изменения.

4. Эффекты старения под воздействием УФ-излучения

4.1 Механические свойства УФ-старение снижает прочность на растяжение, изгиб и ударопрочность CFREC. Это снижение объясняется ухудшением эпоксидной матрицы, что ставит под угрозу передачу нагрузки между волокнами.

4.2 Термические свойства Термическая стабильность снижается, поскольку разрыв цепи и окисление снижают температуру разложения. Образцы, состаренные УФ-излучением, демонстрируют более низкие температуры стеклования (Tg), что указывает на размягчение матрицы.

4.3 Морфология поверхности Воздействие УФ-излучения вызывает поверхностные трещины, питтинги и обесцвечивание. Эти дефекты могут распространяться под воздействием механических нагрузок, ускоряя разрушение.

4.4 Химические изменения Спектры FTIR показывают увеличение карбонильных и гидроксильных групп, что указывает на окисление. Эти изменения коррелируют с ухудшением механических и термических характеристик.


5. Стратегии смягчения последствий

5.1 УФ-стабилизаторы Добавление в эпоксидную матрицу УФ-поглотителей и светостабилизаторов на основе затрудненных аминов (HALS) смягчает УФ-деградацию за счет поглощения вредного излучения и удаления свободных радикалов.

5.2 Поверхностные покрытия Защитные покрытия, такие как устойчивые к ультрафиолетовому излучению краски и пленки, обеспечивают эффективную защиту от радиации.

5.3 Модифицированные смолы Разработка эпоксидных смол, устойчивых к УФ-излучению, с повышенной плотностью сшивки или включением наночастиц, таких как диоксид титана (TiO2), повышает долговечность.

5.4 Гибридные композиты Сочетание углеродных волокон с другими армирующими материалами, такими как стекловолокно, может повысить устойчивость к ультрафиолетовому излучению за счет распределения напряжений и снижения деградации матрицы.


6. Практические примеры

6.1 Аэрокосмические применения Исследования старения под воздействием ультрафиолета на материалах CFREC, используемых в фюзеляжах самолетов, выявили значительную потерю механических свойств после длительного воздействия, что требует частого технического обслуживания и обработки поверхности.

6.2 Автомобильные компоненты Наружные детали, изготовленные из углепластика в автомобильной промышленности, подвержены изменению цвета и растрескиванию поверхности, что требует использования покрытий, защищающих от УФ-излучения.

6.3 Морские сооружения Морская среда усиливает старение под воздействием УФ-излучения из-за высокой влажности и воздействия соли. Защитные меры, такие как анти-УФ-покрытия и гибридное армирование, показали свою эффективность.


7. Будущие направления исследований

  • Нанотехнологии: Исследовать использование современных наночастиц для УФ-стабилизации.
  • Долгосрочная эффективность: Разработка прогностических моделей срока службы в условиях воздействия УФ-излучения.
  • Экологичные материалы: Изучите биосмолы с улучшенной стойкостью к ультрафиолетовому излучению.
  • Многомасштабный анализ: Объедините молекулярные и макроуровневые исследования для всестороннего понимания.

8. Заключение

Старение под воздействием ультрафиолета существенно влияет на эксплуатационные характеристики армированных углеродным волокном эпоксидных смоляных композитов, в частности, за счет деградации эпоксидной матрицы. Благодаря передовым технологиям в области материаловедения и защитным стратегиям можно смягчить эти эффекты и продлить срок службы CFREC. Продолжение исследований в этой области будет способствовать инновациям и обеспечит надежность этих материалов в сложных условиях применения.

Следите за новостями Impact! Будьте в курсе событий и вдохновляйтесь нашими новыми блогами.

Теги

углеродное волокно

композитный

Вам также может понравиться

Посмотреть больше

Свяжитесь с нами

Опытная команда по обслуживанию и сильная команда поддержки производства обеспечивают беспроблемное обслуживание заказов клиентов.






    Вам нужно решение из композитных материалов?
    Поговорите с нашим экспертом