高温,高含湿量下的复合材料测试

作者:文/Wyoming测试夹具公司 Donald F.Adams 文章来源:CW《复合材料世界》2013年第1期 发布时间:2014-01-07
近些年,Baker Hughes公司(位于德克萨斯州休斯顿)一直致力于开发力学测试室项目,并取得了一些进展.Wyoming测试夹具公司(位于犹他州盐湖城)总裁Donald F.Adams博士希望,这项由Baker Hughes公司进行的工作,可以促使人们对湿热条件下的复合材料测试重新产生兴趣.

近些年,Baker Hughes公司(位于德克萨斯州休斯顿)一直致力于开发力学测试室项目,并取得了一些进展。Wyoming测试夹具公司(位于犹他州盐湖城)总裁Donald F.Adams博士希望,这项由Baker Hughes公司进行的工作,可以促使人们对湿热条件下的复合材料测试重新产生兴趣。

20世纪70年代中期,人们普遍开始承认高温和高含湿量的综合作用降低了许多聚合物基复合材料的刚度,特别是降低了它们的强度。因此,在70年代的后半段——测试领域中一个很短的时间段,人们开展了广泛的研究来探讨这些湿热的作用。G.S.Springer针对该研究工作的大部分内容编写了名为《环境对复合材料的影响》的两卷合集,分别在1980年和1984年出版。即使在今天,这项工作仍然是对该领域中最先进技术的出色的总结。

这个广泛研究的一个关键结论——湿气在聚合物乃至聚合物基体复合材料中的扩散,并不遵循菲克第二定律。该定律针对一维扩散表述为含湿量(m)随时间(t)的变化率可以用?m/?t= D?2m/?x2来表示,其中D是湿气扩散系数。因此,对一个特定的复合材料测量了D后,根据材料和周围环境的起始条件,在结构内任何地方的含湿量可以作为时间的函数被计算出来。该信息加上所测的热和湿气膨胀系数,就能将结构的尺寸变化和应力状态作为一个时间的连续函数计算出来。

因为,复合材料的刚度和强度往往随着温度和含湿量的增加而降低,所以,这些变形和应力在许多应用中是非常重要的,例如,复合材料的力学性能测试。温度的变化可以在几分钟内实现,甚至在相对厚的复合材料中也是如此。但实现所需的湿度变化,可能就需要数周或数月。由于D是随着温度的变化而变化,因此,在高温下把复合材料暴露在湿气中以缩短状态调节时间是可取的。但暴露在高温下又会导致在复合材料表面形成一个高的湿度梯度,以及一个高的应力梯度,这可能会导致复合材料产生微裂纹。因此,必须作出权衡。

考虑到在实际测试之前需要较长的状态调节时间,因此,在环境箱中的湿热条件下,同时使大量的测试试样达到所要求的状态已成为惯例。但调节温度通常和随后的力学测试温度不一样,因为,后者通常要高于水的沸点温度。鉴于水分解吸和水分吸收符合菲克定律,因此,要注意防止试样的表面在力学测试过程中发生干燥。上述情况,可以通过使测试环境中的水蒸汽分压与调节环境保持在同一水平来解决。由于试验温度高于调节温度,因此,需要在一个压力室中来完成测试。

所有这一切,在20世纪70年代中期都已被人们充分理解,并且进行了一些小的尝试来开展这样的测试。但是,由于需要特殊的设备来保持水的蒸汽压,且测试程序很费时间,所以,整个问题最终被忽略了。用湿抹布包裹在试样周围然后继续测试,成为一个常见的替代方法。当然,这没有解决分压力的问题。
多年后的今天,出现了一个相关的问题——有一些设计应用,其中经过环境预调节或以其他方式的零部件需要在热和湿(甚至更糟)的条件下工作。一个例子是石油钻井作业的井下环境。超过200℃的温度和大于70MPa的压力,再加上腐蚀性流体,形成了一个非常恶劣的环境。当针对复合材料在这样的环境中的使用进行评估时,在实验室中模拟那些恶劣的条件是必须的。例如,Baker Hughes公司正在开发的力学测试室项目——候选材料在测试室中可以被直接放在试验夹具上,在所需的时间内暴露在所要求的条件下,然后直接进行力学测试。该测试室可以作为高温高压现场力学试验台。实际装置的图片包括在由Y.Yuan和J.Goodson编写的题目为《HT/HP湿热热力学性能和HT/HP高温聚合物复合材料的现场力学性能试验方法》与《高温聚合物和复合材料的HTHP现场力学试验台和试验方法》的论文中。虽然,示意图中显示的是准备就绪的拉伸夹具,但该设备也同样能够进行压缩、剪切和弯曲加载。
通过Y.Yuan和J.Goodson的论文发表日期(2007年与2008年)可以看出,Baker Hughes公司的努力已经进行了一段时间。迄今,已取得了许多非常有趣的结果。其中一些结果在Y.Yuan和J.Goodson的论文中已有介绍,毫无疑问,不久将会有更多的结果被发表。

Donald F.Adams博士希望,这项由Baker Hughes公司进行的工作会促使人们重新恢复对高温和高压受控条件下湿热测试的全面研究。

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