一种聚合物基复合材料紫外老化寿命预测方法技术

本发明专利技术提供了一种聚合物基复合材料紫外老化寿命预测方法，包括：步骤1、对聚合物基纤维复合材料进行荧光紫外灯人工加速老化实验；步骤2、将老化前后的聚合物基复合材料进行力学性能测试，并计算不同老化时间下的强度保持率；步骤3、利用最小二乘法获得不同实验温度下的反应速率常数K；步骤4、利用最小二乘法外推常温下的反应速率常数K步骤5、通过单日累积辐照能比值建立不同老化条件下的等效关系，获得自然条件下的紫外老化寿命。本发明专利技术为聚合物基纤维复合材料紫外老化寿命预测提供了技术支撑，使得能够预测任意拉伸/压缩强度保持率下，任意温度紫外老化情况下的服役寿命，为自然环境下聚合物基复合材料的服役可靠性评估提供了依据。了依据。了依据。

A prediction method of UV aging life of polymer matrix composites

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物基复合材料紫外老化寿命预测方法


[0001]本专利技术属于移动承压设备动态风险评估领域，尤其涉及一种聚合物基复合材料紫外老化寿命预测方法。

技术介绍

[0002]聚合物基纤维复合材料是以纤维为增强体，树脂等聚合物为基体，采用先进复合材料成型加工工艺制成的一系列高性能复合材料，其具有较高的比强度和比刚度，耐腐蚀，抗疲劳等特点。由于上述特点，其广泛的应用于航空航天，轨道交通，压力容器等领域，近年来，随着国家对氢能源的发展高度重视，具有轻质高强的碳纤维复合材料成为储氢气瓶缠绕层的首选材料，运用于Ⅲ、Ⅳ型气瓶的碳纤维复合材料缠绕层能够提供较高的承载能力，能够满足单位质量储氢密度要求。由于聚合物基复合材料独特的结构特点，其承载能力受到纤维与聚合物之间的粘结程度影响，在复杂的服役环境下，紫外、湿热、高温等都会使得聚合物与纤维之间的粘结力变差。
[0003]储氢气瓶在运输过程中不可避免的受到日光照射，而日光中的紫外线能使碳纤维复合材料性能发生劣化，因此，针对聚合物基纤维复合材料服役环境的紫外老化情况，开展人工室内加速老化实验，探究其力学性能衰减规律，建立一种聚合物基纤维复合材料紫外老化工况下的寿命预测方法，对设备服役的定期检验，服役的可靠性评价具有重大意义。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种聚合物基复合材料紫外老化寿命预测方法，并建立起人工加速老化和自然老化的等效关系，为自然环境下聚合物基复合材料的服役可靠性评估提供了依据。具体步骤如下：
[0005]步骤1、对聚合物基复合材料进行荧光紫外灯人工加速老化实验；
[0006]步骤2、将老化前后的聚合物基复合材料进行力学性能测试，本例中选取碳纤维/环氧树脂复合材料层合板单向铺层拉伸、压缩力学性能为待测量，并计算不同老化时间下的强度保持率；
[0007]步骤3、基于动力学曲线经验公式，利用最小二乘法获得不同实验温度下的反应速率常数K；
[0008]步骤4、基于阿伦尼乌斯公式，利用反应速率常数K结合动力学曲线经验公式，得到任意温度下的寿命预测方程；
[0009]步骤5、由于人工加速老化和大气自然老化存在剂量差异，通过单日累积辐照能比值建立不同老化条件下的等效关系，最终获得自然条件下的紫外光氧老化寿命。
[0010]步骤1包括：
[0011]步骤1.1、设计聚合物基复合材料试样尺寸，拉伸试样尺寸参考参考ASTM D3039将拉伸试样裁剪为250
×
15
×
1mm，为了避免0
°
拉伸过程试样打滑问题，在试样两端贴上玻纤加强片，用kafuter K
‑
801改性丙烯酸酯AB粘合剂进行粘接，粘接完在烘箱70℃烘干16小
时。参考ASTM D6641将压缩试样裁剪为140
×
12
×
2mm，同样采用玻纤加强片避免打滑问题；
[0012]步骤1.2、设置紫外老化实验参数：紫外强度1W/(m2
·
nm)，紫外辐照温度(50℃、60℃、70℃)，紫外辐照周期24h，取样周期数(10、20、30、40、60)；
[0013]步骤2包括：
[0014]步骤2.1、进行拉伸压缩实验，拉伸速率为2mm/min，压缩速率为1mm/min，采用位移控加载模式，每组测试X1(一般取值为5)个试样，将测试的结果取平均值，作为不同老化周期下的拉伸、压缩强度；
[0015]步骤2.2、计算不同老化时间下的拉伸压缩强度保持率f(p)：
[0016]f(p)＝p/p0，
ꢀꢀꢀ
(1)
[0017]p为老化后的强度值，p0为未老化的强度值。
[0018]步骤3包括：
[0019]步骤3.1、根据聚合物基复合材料紫外老化强度保持率与老化时间存在一阶动力学行为，按照动力学曲线经验公式表征不同老化时间下的力学性能残余，如下式所示：
[0020]f(p)＝Aexp(
‑
Kt)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0021]其中，A为待定参数，t为老化时间，K表示阿伦尼乌斯公式外推常温下的反应速率常数；对上式取对数，将公式(2)变形为下式：
[0022]ln(f(p))＝lnA
‑
Kt，
ꢀꢀꢀ
(3)
[0023]令中间参数x＝t，中间参数y＝ln(f(p))，系数a1＝lnA，系数b1＝K，将公式(3)变成线性形式：
[0024]y＝a1+b1x；
ꢀꢀꢀ
(4)
[0025]步骤3.2、采用最小二乘法计算系数a1，b1如下式所示：
[0026][0027][0028]n为实验测试组数。
[0029]步骤4包括：
[0030]步骤4.1、根据阿伦尼乌斯公式，将温度和反应速率常数K进行最小二乘拟合，得到阿伦尼乌斯模型系数，以此类推，得到多老化温度下的反应速率常数K，再根据阿伦尼乌斯公式外推常温下的反应速率常数K，K和T服从Arrhenius方程，如下式所示：
[0031][0032]其中T为绝对温度，开尔文(K)。Z为阿伦尼乌斯常数，E为活化能，R为摩尔气体常数，取值为8.31344J/(mol
·
K)，将公式(7)取对数得：
[0033][0034]令系数a2＝lnZ、系数b2＝
‑
E/R，中间参数X＝1/T、中间参数Y＝ln(K)，公式(8)成如
下线性形式：
[0035]Y＝a2+b2X；
ꢀꢀꢀ
(9)
[0036]步骤4.2、采用最小二乘法计算系数a2，b2：
[0037][0038][0039]步骤5包括：
[0040]步骤5.1、人工加速老化和大气自然老化条件下的辐照剂量存在差异，可以通过单日累计辐照能比值β来建立不同老化条件下的等效关系，如下式所示：
[0041]H＝3.6It，
[0042]Q＝HSN，
[0043][0044]式中，Q表示紫外老化累积辐照能，单位为kJ；Q0表示自然光辐照能，单位为kJ；H表示辐照能，单位为kJ/m2；I表示辐照强度，单位为W/m2；t表示老化时间；S表示试样面积；N表示灯管根数，β为单日辐照能比值。
[0045]步骤5.2、根据步骤3，任意温度下的寿命预测方程如下：
[0046][0047]其中为不同老化温度下动力学曲线公式参数a1的均值。
[0048]最终获得自然条件下的紫外光氧老化的寿命t0：
[0049]t0＝βt。
[0050]有益效果：本专利技术建立了聚合物基纤维复合材料紫外老化寿命预测方法，该方法基于动力学曲线直线法，并给出了人工加速老化和自然老化的等效关系。使得能够预测任意拉伸/压缩强度保持率下，任意温度紫外老化情况下的服役寿命，为自然环境下聚合物基复合材料的服役可靠性评估提供了依本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚合物基复合材料紫外老化寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1、对聚合物基复合材料进行荧光紫外灯人工加速老化实验；步骤2、将老化前后的聚合物基复合材料进行力学性能测试，并计算不同老化时间下的强度保持率；步骤3、基于动力学曲线经验公式，利用最小二乘法获得不同实验温度下的反应速率常数K；步骤4、基于阿伦尼乌斯公式，利用反应速率常数K结合动力学曲线经验公式，得到任意温度下的寿命预测方程；步骤5、通过单日累积辐照能比值建立不同老化条件下的等效关系，最终获得自然条件下的紫外光氧老化寿命。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：步骤1.1、设计聚合物基复合材料试样尺寸；步骤1.2、设置紫外老化实验参数，设置多周期多温度的紫外老化工况。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2包括：步骤2.1、进行拉伸压缩实验，每组测试X1个试样，将测试的结果取平均值，作为不同老化周期下的静力学强度；步骤2.2、计算不同老化时间下的拉伸压缩强度保持率f(p)：f(p)＝p/p0，(1)p为老化后的强度值，p0为未老化的强度值。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3包括：步骤3.1、按照动力学曲线经验公式表征不同老化时间下性能残余，如下式所示：f(p)＝A exp(
‑
Kt) (2)其中，A为待定参数，t为老化时间，K表示阿伦尼乌斯公式外推常温下的反应速率常数；对上...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建平，时中猛，邹超，周飞宇，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：