复合材料因其优异的高比强度、比模量、抗疲劳性和可设计性在航空航天、轨道交通等领域得到广泛应用。在自然环境中使用的复合材料受环境因素影响，性能会出现不同程度的下降，这种老化现象主要是由于复合材料内部产生的微观缺陷造成的。复合材料在设计过程中经常通过增大设计安全系数来提高结构的损伤容限；当对复合材料内部缺陷判定标准过高时，将导致产品废品率和成型成本增高；这些问题极大地提高了复合材料的使用成本。

　　因此研究先进树脂基碳纤维复合材料在老化条件下内部缺陷的变化具有科学价值和工程应用价值。聚合物基复合材料进行老化研究采用的老化方法分为大气自然老化和人工加速老化。大气自然老化试验（又称自然气候曝露或者户外耐候试验），就是将试样置于自然气候环境下曝露，使其经受太阳光、温度、湿度和氧等自然气候因素的综合作用，通过测定其性能的前后变化来评价材料的耐候性。由于此方法就是材料的实际使用环境，能够获得较可靠的耐候性结论。但自然老化试验周期较长，通常需要10年或者更长的时间，试验经费昂贵，试验重复性差，不同纬度的自然气候因素相差悬殊，容易造成试验数据缺乏可比性，很难满足材料研究的发展速度。

　　一般飞机的寿命至少为20年，而用于飞机构件的复合材料也应该具有相同的寿命，但是对每一种复合材料都进行大气曝晒试验很不现实。人工加速老化试验周期短，只需要3~4个月的时间，并且老化数据采集速度快。因此采用试验室模拟和强化自然老化环境的方法，达到加速材料破坏的速度，期望在较短时间内获得近似于自然老化试验结果，所以近年来采用人工加速老化试验的研究方法较多。

　　试样通过模压工艺制备T800碳纤维/环氧树脂复合材料单向板，纤维体积含量60%。将单向板按照100mm×10mm×2mm试样尺寸要求进行切割。分别测试了T800/环氧复合材料单向板的弯曲强度和弯曲模量。在6个月的老化过程中，分别测试老化前、1个月、2个月、4个月、6个月的湿热老化后样件的弯曲性能。其中每组样件随机抽取10件进行测试分析。样件原始弯曲强度为1825MPa，弯曲模量为154GPa。弯曲模量在湿热老化过程中变化不明显。

　　复合材料的弯曲强度在90℃，30%RH湿热老化下，1个月后，弯曲强度升高，然后才开始逐渐降低。其主要原因是在老化前期，90℃高温环境下，后固化作用大于水分子的塑化/溶胀作用，从而使弯曲强度略有提高。随着时间的延长，水分子的塑化作用逐渐起作用，弯曲强度开始降低。随着老化时间的延长，材料内部的水分处于平衡状态后，其弯曲强度不再降低。这可以通过复合材料样件断口部位的表面形貌和试件的吸水率得到验证。在湿热老化过程中，树脂基体受到水分子溶胀作用的影响，其与纤维结合能力减弱。老化前树脂致密，与纤维结合致密；经过湿热老化2个月后，断口位置的树脂受到水分子的侵蚀开始出现凹陷和孔洞，当老化进行到6个月时，树脂基体的孔洞数量明显增多，而且纤维与树脂基体的结合变弱，局部出现疏松。

　　复合材料结构件中经常出现的内部缺陷有分层、空隙、疏松，外部缺陷有划伤、贫胶、富树脂等。而层间分层是复合材料产品结构件中较为严重的缺陷，湿热老化对带分层缺陷的复合材料影响较大，老化一个月后，弯曲强度明显开始下降，4月后开始下降趋势变缓，老化6月后，弯曲强度下降到1446MPa，下降12%。下降幅度明显大于无缺陷的8%。相关研究表明，湿热老化后的复合材料树脂基体由于吸水而溶胀，降低了大分子链之间的作用力，导致部分树脂脱落，部分水分子进入纤维与树脂界面，使粘接力下降，纤维出现拔丝现象。

　　如果复合材料内部存在裂纹，将为水分子在复合材料内部扩散提供了通道，提高了水分子的扩散速率，同时水分在微裂纹的集中会使裂纹附近的树脂基体的溶胀加剧，引起较大的内应力，使树脂基体内部产生微裂纹的扩展或引起纤维和树脂的脱粘。由于分层缺陷的存在，水分子进入复合材料的数量增加，内部对树脂基体的侵蚀强度加大，对性能影响强度上升。老化前期，弯曲性能下降明显，后期趋势变缓，主要原因是前期水分子容易通过基体中的缺陷加速渗透作用，后期这种吸湿作用较为缓慢，导致对性能影响减弱。

　　阅读延伸：《T800与T1000规格碳纤维材料性能参数分析》