紫外老化对碳纤维复合材料弯曲性能的影响规律

与拉伸性能和压缩性能相比，碳纤维复合材料的弯曲性能对紫外老化同样敏感，这是因为弯曲载荷同时包含拉伸侧和压缩侧的复杂应力状态，涉及纤维、基体和界面三者的协同作用。

一、降解机理

紫外辐射对碳纤维复合材料的影响主要基于光氧降解机制。紫外线中的高能量光子被树脂基体中的化学键吸收后，当能量超过键能时，会发生分子链断裂，同时在氧气存在下进一步发生光氧化反应。碳纤维复合材料热氧和光氧老化的主要机制是自由基反应机制，包括链引发、链增长和链终止阶段。

紫外老化使得树脂基体发生降解，纤维-基体界面强度下降，从而降低了复合材料的层间力学性能，使复合材料的整体机械性能降低，使得老化后试样的弯曲损伤与层间剪切损伤更为严重。由于弯曲强度对基体性能和界面性能高度敏感，其退化往往比拉伸性能更为明显。

西北工业大学的一项研究表明，紫外和盐雾协同环境中CFRP表现出明显的协同老化效应。紫外辐射和水凝结引起的基体塑化和表面冲刷会加剧氯离子的侵蚀作用，导致纤维-基体界面和层间结合显著劣化。老化后，材料的变形抗力降低，分子链运动加剧，树脂基体交联密度下降，玻璃化转变温度最大降幅达到32.36%。

利用纳米压痕对CFRP试样进行微观力学性能表征后发现，紫外老化对基体产生脆化效应，其硬度/模量值反而高于初始值。这一发现表明，老化过程中同时存在两种竞争机制——一是分子链交联引起基体脆化和模量升高，二是分子链断裂引起基体塑性下降，两种机制共同决定了材料宏观力学性能的变化方向。

二、环氧树脂基体系的弯曲性能退化

碳纤维/环氧复合材料是航空领域应用最广泛的体系，但其紫外老化敏感性也较高。

刘瑜等人采用紫外-冷凝交替加速试验对3233/CF3011/52复合材料进行了加速老化研究，借助力学试验机、扫描电镜和DMA等技术手段观测了老化前后复合材料的力学性能、微观形貌和玻璃化转化温度等变化。结果表明，随着老化时间的延长，3233/CF3011/52复合材料表面发黄，局部纤维裸露更加明显，弯曲强度呈下降趋势，且老化83天后，弯曲强度下降约50%，基体树脂的纳米压痕深度有所增大。复合材料的储能模量下降了约1 GPa，内耗增大，玻璃化转变温度随老化时间呈先增大、后降低的趋势。3233/CF3011/52复合材料的弯曲强度随老化时间的延长而下降，并且断口形貌中纤维拔出痕迹更加明显，表明紫外-冷凝交替作用对复合材料的纤维/树脂界面产生了一定程度破坏。老化前期，紫外辐射能量使树脂基体继续交联，一定程度上提高了复合材料的玻璃化转变温度，而老化过程中水分子对树脂的增塑作用，以及光老化降解使得基体树脂硬度下降，材料的玻璃化转变温度降低。

另一项针对T300碳纤维/环氧复合材料的研究发现，随着紫外老化时间的延长，复合材料层间剪切强度先下降，后期有部分上升，弯曲性能变化不明显。这一结果表明，弯曲性能对紫外老化的响应在不同的材料体系和工艺条件下可能存在差异，应针对具体材料体系开展实测。

利用SEM对表面和断口进行微观观察发现，紫外老化程度随辐照温度升高和老化时间延长而加剧。随着老化进行，表面树脂出现降解、裸露纤维现象增多，断口处的纤维拔出和界面脱粘更加明显。西北工业大学的另一项研究表明，在紫外和盐雾协同老化环境中，CFRP暴露出明显的协同老化效应，与拉伸性能相比，层间剪切性能的退化更为严重，层间剪切性能主要取决于基体和层间性能。层间剪切强度的衰减可视为基体与界面一体劣化的宏观标志，而弯曲性能的进一步下降与之紧密相关。

三、热塑性树脂基体系的差异

3D打印连续碳纤维增强热塑性复合材料在紫外老化后的残留弯曲性能研究中呈现出不同的规律。一项对3D打印连续碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）和芳纶纤维（AFRP）增强聚合物复合材料在720、1440和2160小时加速紫外辐照（相当于墨尔本地区1、2、3年累计紫外剂量）后的弯曲性能评估结果表明，CFRP和GFRP复合材料的紫外辐照同时触发了光降解和交联反应，其中交联反应占主导地位，从而增强了力学强度。弯曲强度保留值方面，GFRP最高（达147%），CFRP次之（达142%）。相比之下，AFRP复合材料在1440小时紫外辐照初期表现出强度提升（103%），但长期暴露（2160小时）后整体强度下降至94%。SEM证实了表面微裂纹和脆化现象，FTIR则揭示了表面以外的氧化和化学转化。这一研究结果突出展示了不同纤维类型对紫外老化的特定响应，为3D打印热塑性复合材料在户外结构应用中的长期性能评估提供了依据。对于热塑性CFRP而言，基体的交联反应可能部分弥补光降解造成的性能损失，使其弯曲强度保留率在特定老化周期内超过100%。

四、多因素耦合效应

紫外老化的影响通常不是孤立发生的。在紫外和盐雾协同老化环境中，CFRP暴露后表现出明显的协同老化效应。紫外辐射和水凝结引起的基体塑化和颗粒冲刷会加剧氯离子的侵蚀作用，导致纤维-基体界面和层间结合显著劣化。对于复合材料来说，基体和纤维/树脂界面的劣化是导致其机械性能衰变的主要因素。老化后，CFRP材料的交联密度降低是变形抗力下降和性能退化的主要原因。

对于船舶海洋应用中长期暴露的碳纤维乙烯基酯复合材料，纵向弯曲强度在1000小时紫外和湿气联合暴露后降低了约10%，而横向弯曲强度则降低了40%。这一结果表明，弯曲性能的退化与加载方向具有显著的各向异性——纤维沿加载方向排列时，紫外老化的影响相对较小；纤维垂直于加载方向时，紫外老化的影响显著放大，这是因为横向弯曲性能更依赖基体和界面性能而非纤维本身。

紫外辐射生成的表面缺陷会促进水分进入材料内部，从而加速整体老化进程。对于未经防护涂层保护的复合材料，紫外辐射可能会降解聚合物表面，暴露纤维并进一步增加吸湿率。

五、失效模式分析

紫外老化后，CFRP的弯曲失效模式可能发生以下变化：未老化试样的弯曲失效以压缩侧纤维微屈曲和拉伸侧纤维断裂为主，断口较为整齐；紫外老化后，表面树脂降解导致纤维裸露，弯曲加载时可能出现拉伸侧界面脱粘、压缩侧基体开裂以及层间分层等混合失效模式；随着老化程度加深，裂纹萌生载荷降低，断口形貌中纤维拔出痕迹更加明显。老化后期，纤维与树脂之间的脱黏现象更加突出，弯曲载荷作用下纤维拔出长度增长，表明界面已成为薄弱环节。