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user: 3. 结果与讨论 3.1. 湿热行为的研究结果 图3分别为两种不同状态复合材料在湿热处理过程中，吸湿率与湿热处理时间以及时间平方根的关系曲线；从图3中可以看出，无碳纳米纸复合材料在100℃的去离子水中湿热处理时，在100小时内，随湿热处理时间的增加复合材料的吸湿率逐渐上升，当湿热处理时间超过100小时以后，复合材料的吸湿率曲线上升开始变得缓慢，可见，复合材料在湿热处理初期的吸湿率明显高于后期，随着处理时间的延长，吸湿率的变化趋势趋于平缓。复合材料试样在173.5小时到达饱和吸湿，饱和吸湿率为1.82%。从图3中可以看出，无碳纳米纸复合材料在湿热处理初期(150 h以内)，吸湿率与湿热处理时间t 1/2 近似成线性关系，从而表明无碳纳米纸复合材料在湿热处理初期的吸湿过程符合Fick第二定律，而当湿热处理时间超过100 h以后，吸湿曲线出现偏离线性的情况，说明在此以后，复合材料中水分子的扩散行为已偏离了Fick行为，Fick定律不再适用于此阶段对复合材料的吸湿规律。 图3. 吸湿率随湿热时间变化曲线：(a) 吸湿率与t的关系；(b) 吸湿率与t 1/2 的关系 另外，还可以看出，单面碳纳米纸复合材料吸湿行为与无碳纳米纸复合材料无明显差别，100小时内，复合材料的吸湿率随湿热处理时间增加而逐渐上升，超过150小时以后，吸湿率上升过程趋于缓慢。复合材料在湿热处理173.5小时后，达到饱和吸湿状态，其饱和吸湿率为1.84%。从图3(b)中可以看出，单面碳纳米纸复合材料在湿热处理初期(100 h以内)，吸湿率与湿热处理时间t1/2也近似成线性关系，从而表明单面碳纳米纸复合材料在湿热处理初期的吸湿过程符合Fick第二定律。在湿热处理时间超过100 h以后，由于也出现了偏离线性的情况，说明在经过此时间以后，水分子在单面碳纳米纸复合材料中的扩散行为偏离了Fick行为，Fick定律也不再适用于此阶段单面碳纳米纸复合材料的吸湿规律。 对比图3两条曲线可明显发现：在吸湿初始阶段(100 h以内)单面碳纳米纸复合材料吸湿速率均高于无碳纳米纸复合材料，随着湿热的进行，100 h之后，无碳纳米纸复合材料吸湿速率开始大于单面碳纳米纸复合材料，即吸湿时间超过100 h之后，不同状态下的复合材料吸湿速率均有不同程度降低，但单面碳纳米纸复合材料吸湿速率降幅高于无碳纳米纸复合材料，且最终单面碳纳米纸复合材料吸湿率达到饱和所用的时间略大于无碳纳米纸复合材料。 出现上述现象的原因与试验中所用的试样有关。吸湿试验所用试样尺寸为30 mm × 6 mm × 3 mm，试样从经过模压后的原始复合材料板上切下，其中上、下两面较为密集，而侧面由于存在裸露的碳纤维，因此相对于上下面而言较为疏松，所以在湿热初始阶段，吸湿优先通过侧面进行，随着湿热的进行，当从试样侧面进入材料内部的水分达到饱和之后，水分进入材料主要通过上、下面，而覆有碳纳米纸的试样在碳纳米纸一侧能够在一定程度上减缓吸湿速率，因此在湿热后期，单面碳纳米纸复合材料吸湿速率开始小于无碳纳米纸复合材料。 3.2. 力学性能研究结果 纤维增强树脂基复合材料在湿热使用条件下，由于水分子对复合材料的渗透，随着时间的延长，会对树脂基体以及纤维与基体之间的界面产生较大程度的影响，导致复合材料基体产生增塑效应、分子链断裂，复合材料的界面粘结力降低等一系列不利的变化，上述微观变化在宏观上表现为复合材料的力学性能出现相应的变化，本节进一步研究了湿热条件对复合材料宏观力学性能的影响规律。 以纤维作为复合材料的增强材料时，进入复合材料的水分子会与纤维产生发生化学作用，从而对复合材料的最终性能产生影响。复合材料中的纤维和进入的水分子接触后，会和水分子发生化学反应，从而导致纤维强度降低，复合材料的强度也会随之下降；同时，基体与纤维之间界面的破坏程度与材料吸湿率密切相关。为研究两种复合材料在不同吸湿率下的力学性能，分别选取两种复合材料不同时长湿热处理的试样进行层间剪切强度和弯曲性能测试，并根据前述的公式计算不同复合材料在不同吸湿率下的层间剪切强度和抗弯强度。 3.2.1. 层间剪切强度 分别选取两种复合材料不同时长湿热处理的试样进行层间剪切强度测试，试样编号及湿热处理时间、吸湿率如表2所示。 图4对应表2层间剪切强度随吸湿率的变化规律。如图所示，随着吸湿率的增大，两种复合材料层间剪切强度均呈现降低的趋势。其中工程干态下无碳纳米纸复合材料的层间剪切强度为59.5 MPa，单面碳纳米纸复合材料的层间剪切强度为71.6 MPa；湿热处理5.5 h时，无碳纳米纸复合材料的层间剪切强度为51.3 MPa，相对于工程干态降低了8.2 MPa，降幅为13.8%；单面碳纳米纸复合材料的层间剪切强度为62.7 MPa，相对于工程干态降低了8.9 MPa，降幅为12.4%。随着湿热的进行，两种复合材料层间剪切强度均不断降低，但降幅逐渐减小，其中湿热时间为101.5 h和173.5 h两种状态下，复合材料层间剪切强度无明显变化，无碳纳米纸复合材料降幅分别为22.3%和25.0%，碳纳米纸复合材料降幅分别为44.3%和45.4%。说明湿热时间超过100 h后，材料吸水率逐渐达到饱和，水分对复合材料力学性能的影响到达最大。 Table 2 Interlaminar shear strength of composites at different moisture absorption rate 试样编号 湿热时间/h 吸湿率/% 层间剪切强度/MPa 1# 无碳纳米纸 0 0 59.5 2# 5.5 0.40 51.3 3# 28 1.12 50.2 4# 101.5 1.61 46.2 5# 173.5 1.82 41.9 1# 单面碳纳米纸 0 0 71.6 2# 5.5 0.47 62.7 3# 28 1.18 49.9 4# 101.5 1.64 39.9 5# 173.5 1.84 39.1 表2. 不同吸湿率下复合材料层间剪切强度 图4. 吸湿率对复合材料层间剪切强度的影响 3.2.2. 抗弯强度 分别选取两种复合材料不同时长湿热处理的试样进行抗弯强度测试，试样编号及湿热处理时间、吸湿率如表3所示。 图5对应表3复合材料抗弯强度随吸湿率的变化规律。如图所示，随着吸湿率的增大，两种复合材料抗弯强度均呈现降低的趋势。其中工程干态下无碳纳米纸复合材料的抗弯强度为1020 MPa，单面碳纳米纸复合材料的抗弯强度为1082 MPa；湿热处理5.5 h时，无碳纳米纸复合材料的抗弯强度为790 MPa，相对于工程干态降低了230 MPa，降幅为22.5%；单面碳纳米纸复合材料的弯曲强度为1074 MPa，相对于工程干态降低了8.0 MPa，降幅为0.74%，可以看出，在湿热初始阶段，单面碳纳米纸复合材料弯曲强度降幅显著低于无碳纳米纸复合材料。随着湿热的进行，两种复合材料弯曲强度呈现出不同的变化规律，如图5所示：随着湿热的进行，无碳纳米纸复合材料抗弯强度趋于稳定，在800 MPa附近波动，湿热173.5 h达到饱和吸湿率后，弯曲强度最低为748 MPa，相对于工程干态降低了272 MPa，降幅为26.6%。而单面碳纳米纸复合材料弯曲强度随吸湿率的增大不断降低，且在初始阶段降幅较为低，当湿热时间超过100 h后，弯曲强度降幅较大。湿热173.5 h达到饱和吸湿率后抗弯强度最低为767 MPa，相对于工程干态降低了315 MPa，降幅为29.1%。 Table 3 Bending strength of composites with different hygroscopicit 试样编号 湿热时间/h 吸湿率/% 抗弯强度/MPa 1# 无碳纳米纸 0 0 1020 2# 5.5 0.40 790 3# 28 1.12 876 4# 101.5 1.61 810 5# 173.5 1.82 748 1# 单面碳纳米纸 0 0 1082 2# 5.5 0.47 1074 3# 28 1.18 999 4# 101.5 1.64 814 5# 173.5 1.84 767 表3. 不同吸湿率下复合材料抗弯强度 图5. 吸湿率对复合材料抗弯强度的影响 3.2.3. 单面碳纳米纸对复合材料性能的影响 为分析单面碳纳米纸对复合材料力学性能的影响，分别提取两种复合材料在不同吸湿率下层间剪切强度和弯曲强度数据，并绘制成曲线图。 图6为两种复合材料在不同吸湿率下力学性能变化规律：随着湿热时间的增加，两种复合材料的层间剪切强度和弯曲强度均呈现明显的下降趋势；湿热初始阶段，单面碳纳米纸复合材料的层间剪切强度明显大于无碳纳米纸复合材料，随着湿热的进行，湿热时间超过30 h时，单面碳纳米纸复合材料的层间剪切强度开始低于无碳纳米纸复合材料；说明在湿热初始阶段单面碳纳米纸复合材料的层间剪切强度降幅要大于无碳纳米纸复合材料。 图6. 两种复合材料在不同吸湿率下力学性能对比 单面碳纳米纸复合材料的抗弯强度始终大于无碳纳米纸复合材料；湿热5.5 h~100 h之间内抗弯强度降幅较大，随后趋于平稳，饱和吸湿率下抗弯强度为767 MPa。