复合材料海水湿热老化机理与拉伸损伤特征

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31729

材料工程与机械制造

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

复合材料海水湿热老化机理与拉伸损伤特征

李天震¹, 魏景超², 曹勇¹(), 刘靖宇¹, 李永存¹, 王文智³

^1.太原理工大学应用力学研究所，太原 030024
^2.中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室，西安 710065
^3.西北工业大学航空学院，西安 710072

收稿日期:2024-12-30 修回日期:2025-03-05 接受日期:2025-03-21 出版日期:2025-04-11 发布日期:2025-04-10
通讯作者: 曹勇 E-mail:caoyong@tyut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12472389);山西省自然科学基金(20210302124325);山西省自然科学基金(202203021212259);山西省科技创新人才团队（领军）专项资助(202204051002006)

Mechanism of seawater hydrothermal aging and tensile damage characteristics of composite materials

Tianzhen LI¹, Jingchao WEI², Yong CAO¹(), Jingyu LIU¹, Yongcun LI¹, Wenzhi WANG³

^1.Institute of Applied Mechanics，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China
^2.National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Aircraft Strength Research Institute of China，Xi’an 710065，China
^3.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2024-12-30 Revised:2025-03-05 Accepted:2025-03-21 Online:2025-04-11 Published:2025-04-10
Contact: Yong CAO E-mail:caoyong@tyut.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12472389);Natural Science Foundation of Shanxi Province(20210302124325);Special Fund for Science and Technology Innovation Teams of Shanxi Province(202204051002006)

摘要/Abstract

摘要：

海水中的湿热和盐雾环境会影响复合材料的性能和服役年限。在空气、纯水、海水和10倍浓度海水环境中对碳纤维增强复合材料（CFRP）开展湿热老化试验，基于Fick扩散定律修正循环变温下海水老化的吸湿模型，饱和吸湿后开展准静态拉伸试验测试力学性能。提出保留湿热应力状态的分步耦合仿真计算策略，用于预测吸湿后的复合材料拉伸损伤特征。该策略分步耦合获得湿热应力场，并将湿热应力导入到拉伸仿真分析模型之中，研究在力学计算模型中考虑湿热膨胀对材料性能劣化的影响。通过试验和仿真研究复合材料在多类环境因素下的吸湿特征和吸湿后的拉伸损伤特征。结果表明：修正吸湿模型和分步耦合仿真策略可有效表征循环温度下多浓度环境下的吸湿过程以及湿热膨胀对材料力学性能的影响；饱和吸湿率随浓度增加而降低，吸湿速率与温度呈明显的正比关系，吸湿速率与浓度成反比；老化后CFRP的弹性模量随浓度增加而微弱降低，强度极限略微降低，树脂基体性能退化为主要老化影响因素；试件失效模式受老化影响可分为片状断裂、爆炸性纤维条状碎裂和纤维-树脂抽离破坏，原因是海水浓度越高对树脂基体的老化作用越明显，导致纤维-树脂结合力降低。

关键词: CFRP, 海水老化, Fick扩散定律, 吸湿特性, 力学性能退化, 失效模式

Abstract:

The hot and humid， salt-laden of seawater can affect the properties and service life of composite materials. Hygrothermal aging tests were conducted on Carbon Fiber Rein-forced Polymer （CFRP） in air， pure water， seawater， and seawater with a tenfold concentration. The moisture absorption model for seawater aging under cyclic temperature variation was modified based on Fick’s diffusion law. Additionally， quasistatic tensile tests were performed to assess the mechanical properties after the composites absorbed moisture to saturation. A stepwise coupled simulation strategy that accounts for hygrothermal stress is proposed to predict the tensile damage behavior of composites after moisture absorption. In this strategy， the hygrothermal stress field is obtained incrementally， and the resulting stress is incorporated into the tensile simulation model. This approach allows the effects of hygrothermal expansion on material cracking to be included in the mechanical calculations. Based on experimental results and simulations， the moisture absorption characteristics and tensile damage behavior of composites under various environmental conditions after moisture absorption were investigated. The main findings are as follows： the modified moisture absorption model and the stepwise coupled simulation strategy effectively characterize the hygroscopic process in multi-concentration environments at cyclic temperatures and the effects of hygrothermal expansion on material mechanical properties. Saturated moisture absorption decreases with increasing concentration， and the rate of moisture absorption is directly proportional to temperature but inversely proportional to concentration. The modulus of elasticity of aged CFRP decreases weakly with increasing concentration， and the strength limit decreases slightly. The degradation of the resin matrix properties is the primary aging influence. The failure modes of specimens affected by aging can be categorized as sheet fracture， explosive fiber-strip fragmentation， and fiber-resin pullout damage. These modes are due to the more pronounced aging effects of higher seawater concentration on the resin matrix， resulting in weakened fiber-resin bonding.

Key words: CFRP, seawater aging, Fick’s diffusion law, moisture absorption, mechanical degradation, failure mode

中图分类号:

V258

李天震, 魏景超, 曹勇, 刘靖宇, 李永存, 王文智. 复合材料海水湿热老化机理与拉伸损伤特征[J]. 航空学报, 2025, 46(22): 431729.

Tianzhen LI, Jingchao WEI, Yong CAO, Jingyu LIU, Yongcun LI, Wenzhi WANG. Mechanism of seawater hydrothermal aging and tensile damage characteristics of composite materials[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(22): 431729.

图/表 12

图 1

表1

图 2

表2

图 3

表3

T300/YB01复合材料属性

材料	参数	取值
CFRP	密度	ρ=1 600 kg·m^-3
	模量	E₁=115 GPa，E₂=E₃=8.8 GPa，G₁₂=G₁₃=4 GPa，G₂₃=3.8 GPa
	泊松比	γ₁₂=γ₁₃=0.312，γ₂₃=0.442
	强度	X_T=1 800 MPa，X_C=1 000 MPa，Y_T=80 MPa，Y_C=110 MPa，S₁₂=S₁₃=S₂₃=55 MPa
	断裂能	G_ft=133 N·mm^-1，G_fc=40 N·mm^-1，G_mt=0.6 N·mm^-1，G_mc=2.1 N·mm^-1
加入Cohesive	模量	E=5 GPa
	强度	N=S=30 MPa
	断裂能	$G n C$ =0.6 N·mm^-1， $G s C$ =2.1 N·mm^-1

表3

图 4

表4

图 5

图 6

图 7

图 8

参考文献 41

[1]	ALAM P， MAMALIS D， ROBERT C， et al. The fatigue of carbon fibre reinforced plastics—A review［J］. Composites Part B： Engineering， 2019， 166： 555-579.
[2]	ACETI P， CARMINATI L， BETTINI P， et al. Hygrothermal ageing of composite structures. Part 1： Technical review［J］. Composite Structures， 2023， 319： 117076.
[3]	ZHOU Y Q， CAO Y， CAO J C， et al. Fracture toughness and fiber bridging mechanism for mode-Ⅰ interlaminar failure of spread-tow woven composites［J］. Enginee-ring Fracture Mechanics， 2024， 298： 109957.
[4]	张超，曹勇，赵振强，等. 树脂基复合材料在民用航空发动机中的应用与关键技术研究进展［J］. 航空学报， 2024， 45（2）： 028556.
	ZHANG C， CAO Y， ZHAO Z Q， et al. Applications and key challenges of polymer composites in civil aero-engines： State-of-art review［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（2）： 028556 （in Chinese）.
[5]	GENG D X， LIU Y H， SHAO Z Y， et al. Delamination formation， evaluation and suppression during drilling of composite laminates： A review［J］. Composite Structures， 2019， 216： 168-186.
[6]	MAYANDI K， RAJINI N， AYRILMIS N， et al. An overview of endurance and ageing performance under various environmental conditions of hybrid polymer composites［J］. Journal of Materials Research and Techno-logy， 2020， 9（6）： 15962-15988.
[7]	徐晋伟，邓宗义，肖文刚，等. 纤维缠绕成型碳纤维/环氧复合材料人工海水老化行为研究［J］. 纤维复合材料， 2022， 39（3）： 42-47.
	XU J W， DENG Z Y， XIAO W G， et al. Aging behavior of filament wound carbon fiber/epoxy composites in artificial seawater［J］. Fiber Composites， 2022， 39（3）： 42-47 （in Chinese）.
[8]	曹勇，张超. 薄层复合材料冲击损伤行为研究进展［J］. 航空学报， 2022， 43（6）： 525323.
	CAO Y， ZHANG C. Impact damage behavior of thin-ply composites： A review［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（6）： 525323 （in Chinese）.
[9]	丁康康，陈志强，姜浩，等. 典型海洋环境碳纤维增强树脂基复合材料老化规律研究［J］. 装备环境工程， 2024， 21（7）： 45-52.
	DING K K， CHEN Z Q， JIANG H， et al. Aging law of carbon fiber reinforced resin matrix composite in typical marine environments［J］. Equipment Environmental Engineering， 2024， 21（7）： 45-52 （in Chinese）.
[10]	BAO L R， YEE A F. Moisture diffusion and hygrothermal aging in bismaleimide matrix carbon fiber composites： Part Ⅰ： Uni-weave composites［J］. Composites Science and Technology， 2002， 62（16）： 2099-2110.
[11]	LI H L， ZHANG K F， FAN X T， et al. Effect of seawater ageing with different temperatures and concentrations on static/dynamic mechanical properties of carbon fiber reinforced polymer composites［J］. Composites Part B： Engineering， 2019， 173： 106910.
[12]	DU Y， MA Y E， SUN W B， et al. Effect of hygrothermal aging on moisture diffusion and tensile behavior of CFRP composite laminates［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2023， 36（3）： 382-392.
[13]	LIU Y C， WANG H， DU J C， et al. Comparative experimental study on mechanical properties of CFRP subjected to seawater and hydrostatic pressure［J］. Compo-sites Science and Technology， 2023， 242： 110193.
[14]	HUO H D， WEI J C， CAO Y， et al. Retained hygrothermal state compression damage behavior investigation of carbon fiber reinforced composites［J］. Applied Compo-site Materials， 2024： 1475-1493.
[15]	魏程，王威力，李刚，等. 环氧树脂/玻璃纤维复合材料加速湿热老化机理研究［J］. 纤维复合材料， 2023， 40（2）： 58-62.
	WEI C， WANG W L， LI G， et al. Study on the mechanism of accelerated hydrothermal aging of epoxy/glass fiber composites［J］. Fiber Composites， 2023， 40（2）： 58-62 （in Chinese）.
[16]	王威力，魏程，田晶. 碳纤维复合材料的湿热老化模型研究［J］. 复合材料科学与工程， 2023（11）： 44-48.
	WANG W L， WEI C， TIAN J. Research on hygrothermal ageing models of carbon fiber composites［J］. Composites Science and Engineering， 2023（11）： 44-48 （in Chinese）.
[17]	DEVINE M， BAJPAI A， OBANDE W， et al. Seawater ageing of thermoplastic acrylic hybrid matrix composites for marine applications［J］. Composites Part B： Enginee-ring， 2023， 263： 110879.
[18]	WANG Y L， ZHU W X， WAN B L， et al. Hygrothermal ageing behavior and mechanism of carbon nanofibers modified flax fiber-reinforced epoxy laminates［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2021， 140： 106142.
[19]	LIU L L， ZHAO Z H， CHEN W， et al. An experimental investigation on high velocity impact behavior of hygrothermal aged CFRP composites［J］. Composite Structures， 2018， 204： 645-657.
[20]	STARKOVA O， GAIDUKOVS S， PLATNIEKS O， et al. Water absorption and hydrothermal ageing of epoxy adhesives reinforced with amino-functionalized graphene oxide nanoparticles［J］. Polymer Degradation and Stability， 2021， 191： 109670.
[21]	CAO Y， CAI Y L， ZHAO Z Q， et al. Predicting the tensile and compressive failure behavior of angle-ply spread tow woven composites［J］. Composite Structures， 2020， 234： 111701.
[22]	HOU Y W， PANESAR A. The moisture absorption of additively manufactured short carbon fibre reinforced polyamide［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2025， 188： 108528.
[23]	HASHIN Z. Failure criteria for unidirectional fiber composites［J］. Journal of Applied Mechanics， 1980， 47（2）： 329-334.
[24]	PUCK A， SCHÜRMANN H. Failure analysis of FRP laminates by means of physically based phenomenological models［J］. Composites Science and Technology， 2002， 62（12/13）： 1633-1662.
[25]	GHOLAMI M， AFRASIAB H， BAGHESTANI A M， et al. Mechanical and failure analysis of thick composites under hygrothermal conditions by a novel coupled hygro-thermo-mechanical multiscale algorithm［J］. Composites Science and Technology， 2022， 230： 109773.
[26]	张家豪，韩啸，张宇翔，等. 湿热老化后CFRP力学性能的细观表征方法［J］. 机械工程学报， 2025， 61（8）： 107-115.
	ZHANG J H， HAN X， ZHANG Y X， et al. Mesoscale characterisation on the mechanical properties of CFRP after hygrothermal ageing［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2025， 61（8）： 107-115 （in Chinese）.
[27]	伊文昭，刘璐璐，徐凯龙，等. 考虑湿热老化的单向纤维增强复合材料纵向脱黏行为的数值模拟［J］. 复合材料科学与工程， 2025（2）： 46-53.
	YI W Z， LIU L L， XU K L， et al. Numerical simulation of longitudinal debonding behavior in unidirectional fibre-reinforced composites considering hygrothermal treatment［J］. Composites Science and Engineering， 2025（2）： 46-53 （in Chinese）.
[28]	任仲豪，徐双喜，李鲤，等. 复合材料单向层合板循环载荷下刚度退化研究［J/OL］. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2024： 1-7. （2024-09-29）. .
	REN Z H， XU S X， LI L， et al. Study on stiffness degradation of unidirectional composite laminates under cyclic loading［J/OL］. Journal of Huazhong University of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2024： 1-7. （2024-09-29）. （in Chinese）.
[29]	李海嶙. 海洋服役环境下复合材料干涉连接结构力学行为演化机理研究［D］. 西安：西北工业大学， 2019： 77-104.
	LI H L. The evolution mechanism of mechanical properties of composites interference fit bolted joints in marine environment［D］. Xi’an： Northwestern Polytechnical University， 2019： 77-104 （in Chinese）.
[30]	赖家美，薛肖妹，彭泽，等. 经湿热环境处理的改性CFRP的吸湿与低速冲击实验研究［J/OL］. 复合材料学报， 2024： 1-20. （2024-11-11）. .
	LAI J M， XUE X M， PENG Z， et al. Experimental study on hygroscopic absorption and low-velocity impact of CFRP treated in damp and hot environment［J/OL］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2024： 1-20. （2024-11-11）. （in Chinese）.
[31]	MENG M， RIZVI M J， LE H R， et al. Multi-scale mo-delling of moisture diffusion coupled with stress distribution in CFRP laminated composites［J］. Composite Structures， 2016， 138： 295-304.
[32]	ROCHA I B C M， VAN DER MEER F P， NIJSSEN R P L， et al. A multiscale and multiphysics numerical framework for modelling of hygrothermal ageing in laminated composites［J］. International Journal for Numerical Methods in Engineering， 2017， 112（4）： 360-379.
[33]	GHOLAMI M， AFRASIAB H， BAGHESTANI A M， et al. Hygrothermal degradation of elastic properties of fiber reinforced composites： A micro-scale finite element analysis［J］. Composite Structures， 2021， 266： 113819.
[34]	SHAH S Z H， LEE J， MEGAT-YUSOFF P S M， et al. Multiscale damage modelling of notched and un-notched 3D woven composites with randomly distributed manufacturing defects［J］. Composite Structures， 2023， 318： 117109.
[35]	ZOUGGAR K， GUERRAICHE K， LOUSDAD A. Numerical and predictive analysis of the low-velocity impact response of UD composite plate under a controlled environment［J］. Composite Structures， 2022， 299： 116053.
[36]	ASTM. Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials：［S］. West Conshohocken： American Society for Testing and Materials， 2017.
[37]	ASTM. Standard practice for preparation of substitute ocean water：［S］. West Conshohocken： American Society for Testing and Materials， 2021.
[38]	ASTM. Standard test method for moisture absorption properties and equilibrium conditioning of polymer matrix composite materials：［S］. West Conshohocken： ASTM， 1998.
[39]	ZHANG J Y， QI D X， ZHOU L W， et al. A progressive failure analysis model for composite structures in hygrothermal environments［J］. Composite Structures， 2015， 133： 331-342.
[40]	ANDREW J J， DHAKAL H N. Influence of seawater ageing on the physical and mechanical properties of the natural fiber-reinforced composites［M］∥Aging Effects on Natural Fiber-reinforced Polymer Composites. Singapore： Springer Nature Singapore， 2022： 335-355.
[41]	许良，涂宜鸣，崔浩，等. 海水环境下老化周期对T800碳纤维/环氧树脂复合材料的影响［J］. 材料工程， 2022， 50（12）： 89-94.
	XU L， TU Y M， CUI H， et al. Effect of aging cycle on T800carbon fiber/epoxy resin composites in seawater environment［J］. Journal of Materials Engineering， 2022， 50（12）： 89-94 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

试验液体	含量/g
试验液体	NaCl	MgCl₂	Na₂SO₄	CaCl₂	KCl	NaHCO₃	KBr	H₃BO₃	SrCl₂	NaF
标准液^［37］	24.530	5.200	4.090	1.160	0.695	0.201	0.101	0.027	0.025	0.003
模拟液	24.842	5.091	4.094	1.303	0.694	0.195	0.010	0.026	0.018	0.003

温度/℃	时间/h	扩散系数/（10^-3 mm²·h^-1）
温度/℃	时间/h	纯水	海水	10倍浓度海水
40	0~240	0.391	0.417	0.222
40	240~696	0.391	0.417	0.256
70	696~804	2.904	2.351	0.708
40	804~912	0.329	0.265	0.306
70	912~1 020	2.485	1.963	0.441
40	1 020~1 152	0.250	0.099	0.189
70	1 152~2 640	3.846	9.757	0

试件条件	强度极限/MPa	失效应变/%	弹性模量/GPa
自然空气（N）	2 392.996	5.196	46.042
纯水（W）	2 346.636	5.210	45.049
海水（S）	2 311.747	5.167	44.771
10倍浓度海水（T）	2 316.573	5.237	44.279

复合材料海水湿热老化机理与拉伸损伤特征

Mechanism of seawater hydrothermal aging and tensile damage characteristics of composite materials

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 12

参考文献 41

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	韩家璇, 陈璠, 杨旭光, 王振宇, 岳晓明. CFRP气雾中电火花加工实验研究[J]. 航空学报, 2025, 46(4): 430886-430886.
[2]	王庆华, 刘润芃, 闫晓军. 基于采样云纹法的CFRP正交层合板材料应变分布测量[J]. 航空学报, 2024, 45(24): 430384-430384.
[3]	牟浩蕾, 解江, 冯振宇, 程坤, 刘义. 大型运输类飞机典型机身框段坠撞特性分析[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 227512-227512.
[4]	刘礼平, 齐雨阳, 蔺越国, 鲍蕊, 徐建新, 冯振宇, 卿光辉. 碳纤维复合材料胶铆混合修理结构静载拉伸失效[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 428676-428676.
[5]	邹田春, 巨乐章, 管玉玺, 李泽钢, 陈红呈. 铺层方式对CFRP⁃Al胶接接头疲劳行为的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 428264-428264.
[6]	米翔, 陈务军, 张祎贝, 李世平, 黄晓惠. 大型CFRP薄壁管桁架加劲环稳定性研究[J]. 航空学报, 2023, 44(12): 227738-227738.
[7]	苏少普, 常文魁, 陈先民. 飞机典型壁板结构剪切屈曲疲劳试验与分析方法[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 225219-225219.
[8]	冯振宇, 迟琪琳, 崔怀天, 解江, 牟浩蕾. 平纹机织与2.5D机织复合材料平板弹道冲击特性对比[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 425116-425116.
[9]	张旖诺, 乔红超, 曹治赫, 梁金盛, 赵吉宾. 水导激光加工CFRP深槽微观形貌特性[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525144-525144.
[10]	王安东, 卞贵学, 张勇, 陈跃良, 张柱柱, 张杨广. 海洋环境下G814/3233复合材料的老化机理及加速老化与自然老化的相关性[J]. 航空学报, 2021, 42(5): 524260-524260.
[11]	杨正伟, 赵志彬, 李胤, 宋远佳, 寇光杰, 李磊, 程鹏飞. 压-压疲劳载荷下CFRP层合板表面红外辐射特征[J]. 航空学报, 2021, 42(5): 524239-524239.
[12]	程晖, 樊新田, 徐冠华, 杨语, 王岚. 航空复合材料结构精密干涉连接技术综述[J]. 航空学报, 2021, 42(10): 524876-524876.
[13]	李远霄, 焦锋, 张世杰, 张顺, 王雪, 童景琳. 高低频复合振动钻削CFRP/钛合金叠层结构试验[J]. 航空学报, 2021, 42(10): 524802-524802.
[14]	齐振超, 肖叶鑫, 张子亲, 王星星, 陈文亮. CFRP电流辅助铆接的连接域热响应建模与验证[J]. 航空学报, 2021, 42(10): 524535-524535.
[15]	伍科, 张华振, 兰澜, 周阳. CFRP反射器型面主动控制和作动器位置优化[J]. 航空学报, 2019, 40(7): 222751-222751.