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复合材料在湿-热-载荷作用下的加速老
化与自然老化研究综述
秦国锋，秦旺招，糜沛纹，李铭，范秋寒
摘要
针对复合材料在湿-热-载荷作用下的加速老化与自然老化问题，综述了国内外纤维增强树脂基复合材料在加速老化环境（高温环境、湿热环境、湿-热-载荷耦合）和自然老化条件下的微观老化机制（化学性能、表面裂纹）、宏观力学性能（拉伸、剪切、弯曲）的变化规律，总结了耐久性预测方法的一般流程及其应用进展，提出了复合材料老化失效研究的未来发展趋势。研究结果表明：复合材料受湿-热-载荷影响，在微观性能上主要表现为基体、基体/纤维界面、纤维在物质成分或者组织形态损伤等方面的变化，在宏观上主要表现为拉伸、压缩、剪切、弯曲等力学性能的变化；复合材料老化失效预测方法主要包括选择老化性度量参量、建立耐久性预测模型（线性回归、强度中值老化方程、阿伦尼乌斯模型、人工智能模型)、确定加速老化与自然老化等效关系等环节；未来应深入研究复合材料在老化环境中的微观老化机制和宏观老化性能的内在联系、不同老化环境下老化规律的相关性和定量性分析，进一步揭示复合材料在复杂环境下的老化失效机制；在此基础上，积累各种类型复合材料的加速老化和自然老化失效试验数据，建立更为精准的加速老化与自然老化等效关系，从而实现复合材料的耐久性预测。
纤维增强树脂基复合材料（后文简称复合材料）按纤维种类可分为碳纤维增强聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)、芳纶纤维增强聚合物(Aramid Fiber Reinforced Polymer, AFRP)、玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP)和玄武岩纤维增强聚合物(Basalt Fiber Reinforced Polymer, BFRP)等。复合材料的可设计性、易成型、比强度及比模量均较高，还具有较好的热稳定性、抗腐蚀性以及抗疲劳性能等优异特性，已被广泛应用于航天航空、车辆、船舶和体育等相关领域。
复合材料在加工、存储和服役过程中，会经受光照、氧气、温度和水分等诸多外部环境因素的作用，从而造成老化效应。除此之外，复合材料内部的组成成分、链结构和聚集态结构也会影响其老化过程。在复合材料实际使用中受多个因素共同作用而发生老化，这进一步加剧了其老化失效预测的复杂性。
复合材料的加速老化试验和自然老化试验是研究复合材料老化失效行为的重要路径。加速老化的试验周期相对于自然老化来说很短，试验环境是可以人为精确控制的，可以研究单一环境因素对复合材料的影响。常见的加速老化环境主要包括低湿环境（高温、低温、温度循环等）、湿热环境（浸泡、高温高湿、海水等)和湿-热-载荷环境（湿热环境与拉伸、弯曲、冲击等载荷耦合)。而自然老化试验周期一般需要几年甚至更长的时间，其成本较高，试验环境不可控且是多因素耦合的，一般不能研究单一环境因素对复合材料的影响，但其研究的过程、结果与实际服役中复合材料的老化更为接近。对老化后的复合材料性能测试主要包括化学分析、力学性能测试、吸水性测试等，其中化学分析主要用于研究复合材料在材料成分（如傅里叶红外光谱测试）、玻璃化转变温度（Tg）(如差示扫描量热测试)和微观结构（如扫描电子显微镜测试)等方面的变化，力学性能测试主要采用拉伸、压缩、剪切、弯曲等测试方法。
一些学者对复合材料的老化失效研究进行了总结分析。但他们的总结主要集中在多种加速老化环境对复合材料老化机制和老化失效规律的影响方面，而对自然老化条件下的老化机制和规律方面的总结较少，也没有对自然老化和加速老化的等效性研究进行阐述。
本文首先分别分析了典型加速老化环境（高温、湿-热、湿热-载荷)和自然老化环境对复合材料老化机制和老化规律的影响，然后总结了加速老化与自然老化条件下的耐久性预测方法研究进展，为实际使用条件下复合材料的耐久性预测提供参考。
为了更全面的总结加速老化对复合材料性能的影响，本文分析了复合材料在高温环境、湿热环境、湿-热-载荷环境、湿-热-载荷环境中树脂基体、纤维/基体界面、纤维老化机制，以及拉伸性能、剪切性能和弯曲性能变化规律。
1.1 高温环境
复合材料的高温老化机理主要是老化前期产生后固化作用会短暂性提高复合材料的力学性能，随后树脂基体会发生热解，纤维与基体界面出现热疲劳，造成纤维和基体之间脱粘产生裂纹或分层等破坏，导致表层纤维不能有效负载，进而使得复合材料性能下降。
在复合材料的老化失效研究中主要侧重于研究高温老化后的拉伸性能、剪切性能、弯曲性能变化规律分别如表1~3所示。在比较高的环境温度下，复合材料的拉伸性能下降比较明显；在高温条件下，随着老化时间的延长，大部分复合材料的层间剪切强度都是先增后减，这主要是由树脂基体的前期后固化作用和后期的氧化分解作用引起的；复合材料的弯曲强度受温度影响较大，一般随温度的升高呈阶段性下降，先缓后急。
1.2 湿热环境
复合材料湿热老化机制主要是吸湿会导致基体的溶胀、塑化和水解，产生开裂行为，破坏纤维与基体界面，造成纤维损伤，而热因素可加快吸湿速率并产生热应力，加速材料性能的降低。
湿热环境对复合材料力学性能（拉伸性能、剪切性能、弯曲性能）的研究总结分别如表4~6所示。在湿热环境下，由于后固化作用，复合材料拉伸性能的下降在初始阶段会减缓甚至提高，但最终都呈现下降趋势；复合材料基体的二次固化会使剪切强度稍有提高，随着老化时间的增加和温度的升高，复合材料的剪切强度下降幅度越大；随着老化时间的增加和温度的升高，复合材料的弯曲强度下降幅度越大，最后吸湿饱和后逐渐趋于稳定。
1.3 湿-热-载荷环境
在实际服役条件下,复合材料结构还会承受载荷的作用,载荷对湿热环境下复合材料的老化有促进作用，通过改变复合材料吸水率来影响其吸湿后的力学性能，是一个自加速的恶性循环过程；湿-热-载荷老化环境下，温度越高、施加的载荷越大，复合材料的拉伸、剪切、弯曲强度下降幅度越大；湿-热-载荷耦合作用对复合材料力学性能影响的研究总结如表7所示。
本文还总结了复合材料在自然环境下的老化机制及其相关的国内外研究，在自然环境下，光照、氧气、力、化学介质、微生物等多种环境因素会通过不同机制综合作用于复合材料，使其出现状态改变、性能降低等变化，最后发生变质，出现硬化、脆化、发粘和没有光泽等特性。还分析了自然老化对复合材料性能的影响，在不同的自然老化环境中，复合材料在初始一段时间内的拉伸强度、弹性模量和伸长率，可能提高，也可能稍有降低，但最后都趋于平稳状态，这与老化环境和树脂本身的固化快慢有关。
在不同的自然老化环境中，复合材料在初始一段时间内的拉伸强度、弹性模量和伸长率，可能提高，也可能稍有降低，但最后都趋于平稳状态，这与老化环境和树脂本身的固化快慢有关；复合材料的剪切强度在自然老化环境中都有不同程度的下降，而弯曲性能变化不明显。自然老化对复合材料拉伸性能、剪切性能、弯曲性能影响的研究总结分别如表8~10。
为了能够为实际使用条件下复合材料的耐久性预测提供参考，本文还总结了复合材料的耐久性预测方法，主要包括选择老化性度量参量、建立耐久性预测模型（线性回归、强度中值老化方程、阿伦尼乌斯模型、人工智能模型)、确定加速老化与自然老化等效关系（老化损伤等效原则、时间-温度-湿度叠加原理）等环节。耐久性预测的关键在于建立加速老化与自然老化的等效关系，本文还总结了复合材料的加速老化与自然老化等效性研究进展，如表11所示。
复合材料在温度、湿度、载荷作用下会发生老化，在微观性能上主要表现为基体、基体与纤维界面、纤维在物质成分或者组织形态损伤等方面的变化，在宏观上主要表现为拉伸、压缩、剪切、弯曲等力学性能的变化。本文从加速老化、自然老化、加速老化与自然老化预测方法进行了综述，得到以下结论。
(1)复合材料不同老化机制之间的内在联系需要进一步深入研究。复合材料在高温加速老化环境中主要受后固化和热分解共同作用，会造成基体分解、界面脱粘和纤维损伤，力学性能主要表现为先升高后降低；在湿热加速老化环境中，树脂基体吸湿、增塑，造成微观裂纹，水分进一步扩散至界面造成脱粘，力学性能主要表现为降低，降低程度受湿热环境的类型、温度等影响较大；在湿-热-载荷加速老化环境中，载荷会进一步促进水分在基体中的扩散，加速裂纹的扩展，力学性能主要表现为进一步的下降。在自然老化环境下，复合材料基体主要表现为光氧化、热分解、吸湿水解等综合作用，造成基体降解和纤维暴露，力学性能表现为变化不明显、下降、先下降后升高、先升高后下降，老化规律受老化地区环境和老化时间影响较大。通过力学性能测试是预测复合材料耐久性的有效方法，但是往往是破坏性的，如果能够通过微观老化机制的变化来预测宏观力学性能，将能提升预测的效率，因此，对微观老化机制和宏观老化性能的内在联系进行研究具有重要意义。
(2)复合材料在不同老化环境下老化规律的相关性和定量性有待进一步研究。复合材料加速老化中应用最为广泛的是高温环境、湿热环境和湿-热载荷环境，其中湿-热-载荷对复合材料的影响最大，更符合复合材料结构在实际服役条件下的多因素耦合工作环境，但是研究较少；自然老化环境中的温度和湿度环境与实际服役条件完全一样，但是缺少了实际服役条件下的载荷作用；后期需要对不同加速老化环境作用下的老化规律相关性进行研究，以及量化分析温度、湿度、载荷各因素对老化性能的影响程度，以便能够根据实际服役条件下的温度、湿度气候和载荷特点，构建更加符合实际服役条件的加速老化环境。
(3)复合材料耐久性预测方法需要进一步精准化。现有的复合材料在实际服役条件下的耐久性预测，主要是通过灰色关联分析、方差分析和PCA等相关性分析确定老化性能指标，然后通过线性方程、强度中值老化方程、阿伦尼乌斯模型、人工智能模型等分析方法拟合老化性能随时间的关系，通过老化损伤等效原则和时间-温度-湿度叠加原理等，建立加速老化和自然老化的等效关系。由于自然老化研究较少，进行加速老化和自然老化的等效研究就更少了，后期需要进一步统一测试标准，积累各种类型复合材料的加速老化和自然老化试验数据，在此基础上，建立加速老化与自然老化更为精准的等效关系。
作者简介
秦国锋
博士
独秀青年学者
广西师范大学副教授、副院长
中国汽车工程学会汽车技术教育分会委员
主要从事汽车结构设计与轻量化技术研究，主持国家自然科学基金青年科学基金项目1项，主持广西自然科学基金青年科学基金项目1项，主持广西科技计划项目1项，主持多项企业横向课题，发表SCI/EI/核心期刊论文30余篇，授权发明专利20余项。
本文主要内容源自《交通运输工程学报》2024年第5期, 点击查看文章全文：
秦国锋，秦旺招，糜沛纹，李铭，范秋寒. 复合材料在湿-热-载荷作用下的加速老化与自然老化研究综述[J].交通运输工程学报，2024，24(5): 173-194.
制作/排版：程 静 苏书杰
编辑：荣依依
校对：戴 杰
审核：韩跃杰
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