УВ инертны относительно влаги и большинства органических растворителей [302]. Поэтому сорбция влаги композиционным материалом обусловливается в основном органическими связую­щими. На рис. 11.43 представлены кривые влагопоглощения ряда чистых эпоксидных связующих [303]. Различная химическая природа органических связующих обусловливает особенности их влагопоглощения. На рис. 11.44 показана кинетика влагопогло­щения композита Л5-3501-5 при 71 °С и относительной влажности 75 и 95 % [304]. В волокнистых материалах существуют три не­зависимых механизма адсорбции влаги: диффузия в связующее, поверхностная адсорбция на УВ и заполнение трещин и пустот [305, 306].

В основном адсорбция влаги — диффузионный процесс, за­висящий от температуры и относительной влажности и подчиняю­щийся второму закону Фика [289, 305]. Чаще всего адсорбция и десорбция влаги определяются по относительному изменению массы образца КВМ. Картер и Киблер [307] предложили метод измельчения образца для определения равновесной влажности и коэффициента диффузии влаги в УВ-эпоксидных и УВ-полиимид - ных КВМ. Пользуясь этим быстрым методом контроля, они смогли выявить различия в сорбционных свойствах различных связую­щих. Впоследствии Белани и Бротман [308] показали, что между электросопротивлением и квадратом содержания влаги в КМ существует линейная зависимость. Это связано с тем, что при на­бухании связующего под действием влаги уменьшается контакт

Между волокнами, и как следствие — рост элек­трического сопротивления. Броунинг [309] методом ИК-спектроскопии в ближ­ней области определял степень сшивки эпоксид ных связующих и пара­метры влаго поглощения. Адсорбция влаги опреде­лялась по величине спек­тра поглощения ОН-групп при длине волны 1,91 мкм. Распределение влажности по глубине образца в угле­пластиках с эпоксидным связующим изучалось ав­торами работы [310]. Эта методика основана на по­лучении тонких срезов g помощью микротома 6 последующим взвешиванием до сушки и после нее.

На рис. 11.45 показан профиль влажности по толщине образца для композита Т300-5208 [310]. Во влажной среде при влажности 95 % и температуре 66 °С и в воде при той же температуре про­фили влажности совпадают (см. рис. 11.45). В других исследова­ниях была найдена корреляция между механическими свойствами углепластиков после кипячения в воде и равновесной влажно­стью образцов после пребывания во влажной среде [311J. Преиму­ществом использования кипящей воды является сокращение вре­мени эксперимента. Кельбель и др. [312, 313], используя ультра­звуковую технику эксперимента, показали наличие корреляции между влагопоглощением углепластиков с эпоксидными связую­щими, падением прочности при межслоевом сдвиге и уменьшением

■ т К о/

--------------------------- — ' 'О

Тмо тка

В

5 *

3

Г 1

О_>

2

Рис. 14.44. Динамика влагопоглощения матрицы тм/тт и композита mK/mK0 на основе Л5=3501-5 при 71 °С; наполнение УВ 70 % (массовая доля) и 63 % (объемная доля) при относительной влажности 95 (1) и 75 % (2). Скорость влаго - пропускания 1,25 нм/ч, толщина пленки 1 мм затухания ультразвуковых колебаний. Интерес читателей мо­жет вызвать обзор методов неразрушающего контроля потери свойств КВМ при влагопоглощении [314].

Адсорбция влаги приводит к набуханию и пластификации связующих (а вероятно, и к разрыву водородных эпоксидно - эпоксиводородных связей) ниже температуры стеклования Т0. Результатом последнего является снижение механических свойств КВМ, особенно при повышенных температурах [289, 309, 311, 315, 316].

Ей,™ а

Рис. 11.47. Изменение предела прочно­сти при сдвиге (метод короткой балки) тсд при различном времени экспози­ции t под действием температуры и влажности:

1 —• температура испытаний 25 °С; 2 — условие обработки—вакуум, 23 °С, испы­тание при 176 °С; 3 — влажность 50 %, 23 °С, испытание при 176 "С; 4 — вода, 23 °С, испытание при 176 °С; 5 — влаж­ность 100 %, 89 °С, испытание при 176 °С

Равновесная влажность и степень снижения физико-механи­ческих свойств КВМ определяются следующими параметрами: природой связующих [289, 303, 317, 318], содержанием и ориента­цией волокна [311, 317, 319—322], поверхностной обработкой волокна [312, 313], степенью отверждения [294, 307], геометрией образца [317], температурой, влажностью среды и временем экс­позиций [289, 309, 322], предварительной нагрузкой [323], ка­чеством КВМ [306, 324], методами испытаний [311, 322]. На рис. 11.46 [319] и 11.47 [318] показаны типичные результаты, дающие представление о влиянии влажности и температуры на прочностные и упругие характеристики углепластиков. Полный обзор этих данных был сделан Шеломи Спрингером [319, 320]. Для КВМ на основе УВ и фенольных либо других полимерных связующих характерно меньшее снижение физико-механических показателей под воздействием влаги, нежели для углепластиков с эпоксидными связующими [291 ]. Изменение адсорбционной способности и сдвиговых характеристик для углепластиков с по-

Верхностной обработкой УВ показано на рис. 11.48 [312]. Ком­позиты на основе УВ, подвергнутые поверхностной обработке, имеют большую влагостойкость, если волокна обработаны рас­твором Гантреца. Раствор Гантреца (фирма «Дженерал анилайн энд филм») представляет собой водный раствор гидрофильного высокомолекулярного сополимера малеинового ангидрида и ме- тилвинилового эфира [312]. Сравнивая результаты обработки УВ азотной кислотой, силаном и бромом, Харрис [325] нашел, что обработанное кислотой волокно имеет самое большое влаго - поглощение при 100 °С. Степень диффузии влаги в композит может быть уменьшена при использовании защитных покрытий из полиуретанов [322, 323] или стекла [292].

Изменяются параметры влагопоглощения и при приложении внешней нагрузки к углепластику с эпоксидным связующим [303, 309]. При испытании однонаправленного углепластика на растя­жение [304] вид разрушения меняется под воздействием влаги от хрупкого до пластичного. На рис. 11.49 [309] и 11.50 [304] показано влияние влажности на кривые напряжение — дефор­мация сшитых по аминогруппам эпоксидных связующих TGMDA и однонаправленных КВМ марки Л5-3501-5 соответственно. Обычно эффект обратим и свойства матрицы после высушивания возвращаются к исходным [311, 316]. В случае, если кроме влаж­ности на образец действует еще и температура, способность ма­териала к влагопоглощению меняется [309, 326]. Это касается и развития трещин при увеличении напряжения, которые облег­чают адсорбцию влаги. В последних обзорах Луса и Спрингера подтверждено наличие эффекта термического растрескивания угле­пластиков с эпоксидными связующими [290]. Однако оказывается,
что это зависит от механических и сорбционных свойств: угле­пластик 7"300-5209 весьма чувствителен к температурному рас­трескиванию, а Г300-1034 — нет.

Кельбель [312, 313] обнаружил падение прочности при сдвиге в углепластике HTS-BP907 после выдерживания в воде при 100 °С в течение 1000 ч и последующего высушивания (рис. 11.51).

Это является свидетельством сниже­ния взаимодействи я в системе во­локно — связующее [312, 325]. В то же время разрушение композитов в результате поглощения влаги стано­вится менее хрупким [313]. Влаж­ность и температура существенно

Рис. 11.50. Типичные кривые зависимости напряжение о — деформация є одно­направленного углепластика /1S-3501-5 при различных температурах и влаж­ности (объемное содержание волокна v — 63 %; влажность воздуха <р = 75 % — соответствует равновесному привесу образца 1,05 %s а ф = 95 % — 1,6 %)j

1 — комнатная температура (КТ), ф = 95 %; 2 — КТ, сухое волокно (CB); 3 — КТ, Ф = 75 %; 4 ~ 250 °С, CB; 5 — 300 °С, CB; 6 — 250 °С, ф = 75 %; 7 — 250 °С, ф = = 95 %; 8 — 300 ?С, ф = 75 %; 9 — 300 °С, ф = 95 %

Рис. 11.51. Зависимость предела прочности при межслоевом сдвиге тсд от тем­пературы Т для не подвергнутого (1) и подвергнутого (2) гидротермической об­работке (1000 ч при 100° в воде о последующей сушкой) и обезвоженного угле­пластика SC-2-3

Влияют и на усталостные свойства композитов [323]. Любин [388] показал обратимость действия влаги на графит. Естествен­ное или принудительное удаление влаги восстанавливает исход­ные прочностные свойства УВ.

Было показано там же, что влажность позволяет создать хо­рошие условия для ламинирования углепластика алюминиевой фольгой [389].