先进复合材料以其高比强度、高比模量、性能可设计等诸多优点，在航空等领域应用广泛，但高昂的成本阻碍了其进一步扩大应用。作为针对先进复合材料低成本化最早研发的液态成型技术，RTM工艺相比于成熟的预浸料/热压罐成型工艺，在降低材料成本和制造成本方面效果显著，且在制造小型复杂形状结构时更具优势。

　　碳纤维是航空复合材料结构应用最为广泛的增强体之一。其中，T700级碳纤维与更为成熟的通用级标准碳纤维T300相比，二者拉伸模量相当，但前者的拉伸强度更高，且价格更为低廉。因此，采用RTM工艺成型国产T700级碳纤维复合材料，能同时满足航空材料高性能、低成本及国产化的要求。航空复合材料结构在服役期间会经受各种高低温、潮湿、辐射、盐雾及风沙等不同环境的考验，其性能和使用寿命会受到一定的影响。其中湿与热是引起复合材料老化的重要因素，它们主要是通过对基体树脂及界面相的影响，从而对复合材料整体性能造成负面影响。实验主要研究RTM工艺成型国产T700级碳纤维复合材料RTM的吸湿特性，以及湿热老化对其耐热性能和力学性能的影响。

　　按照铺层顺序将碳纤维分别铺放到模具中，并密封合模。加热模具至（80±10）℃时，进行树脂注射。然后按照（180±5）℃/2h+（200±5）℃/3h的制度进行固化。待模具温度低于60℃时，拆模取出复合材料层板。

　　通过观察纤维体积分数为58%的RTM碳纤维复合材料在98℃蒸馏水中浸泡条件下的吸湿曲线。可见，在吸湿的初始阶段，吸湿曲线近似线性增长，即吸湿量的增加和老化时间的平方根成正比，此阶段的吸湿行为遵守Fick定律，是扩散控制过程。经过约72h的水煮后，RTM复合材料基本达到吸湿平衡，平衡吸湿率较低，仅约为0.41%。这是由于一方面从RTM树脂的固化机理可知，固化后的树脂分子结构中含有的羟基等极性亲水基团很少，使得基体树脂与水的相互作用小，基体自身耐湿热性能较好。另一方面，制备的层板内部未检测到密集孔隙和分层等会提高复合材料吸水率的缺陷存在，这也保证了本材料体系良好的耐湿热性能。此外，200℃/3h的后固化处理制度使得基体树脂的交联程度进一步提高，水分能占据的空间减小，体现为复合材料体系较低的平衡吸湿率。

　　受纤维控制的力学性能与复合材料的纤维体积分数有关。由于不同批次制备试样的纤维体积分数存在差别，为使力学性能数据具有可比性，吸湿对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响主要通过对基体树脂和界面性能的影响引起。一方面，进入基体树脂的水分通过溶胀作用对基体产生增塑效应，且可能引起基体水解从而导致断链和解交联，此外水分扩散引起的渗透压可能导致基体树脂内部产生微裂纹或其它类型的形态变化，这些都将使基体树脂模量和强度降低，从而引起复合材料部分力学性能的弱化。另一方面，碳纤维和基体树脂明显的湿膨胀差异会在纤维与基体树脂界面上产生内应力，当内应力高至一定程度时就会导致界面黏合遭到削弱或破坏，从而不能有效传递应力。这种弱化/破坏的界面粘结也会对复合材料的力学性能产生负面影响。此外，扩散到界面处的水分还可能使此处的化学键发生水解，引起界面结合力下降，从而导致复合材料的力学性能降低。

　　温度变化对复合材料力学性能同样会产生影响：一方面，温度升高，尤其是当温度接近或高于其Tg时，基体树脂的性能变化引起复合材料的模量降低，温度过高时还会引起基体树脂降解，导致复合材料失效：另一方面，增强纤维和基体树脂的热膨胀系数相差较大，温度变化会导致二者的界面以及铺层方向不同的层间产生热应力，可能引起界面破坏及微裂纹产生，从而造成复合材料的部分力学性能弱化。树脂基复合材料的各项面内力学性能（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）分别受到不同组分（增强纤维、基体树脂及界面）性能的影响。

　　因此，高温湿态下复合材料的不同力学性能很大程度上取决于决定该性能的组分性能受到湿和热影响的情况。吸湿平衡后的130℃条件下，RTM碳纤维复合材料的纵向拉伸性能较室温干态时没有明显的变化。这是由于单向复合材料的纵向拉伸性能主要由增强材料所决定，而吸湿和测试温度（130℃）对碳纤维增强材料的性能基本没有影响，且测试温度并未达到该材料体系模量急剧下降的温度。数据的差异可能是由试样制备和测试过程的误差所致。

　　吸湿平衡后的130℃条件下，RTM碳纤维复合材料的横向拉伸强度和模量较室温干态时分别下降了26.0%和27.4%。这是因为单向复合材料的横向拉伸性能主要取决于基体树脂和纤维/基体界面性能，吸湿后及高温条件下基体树脂和界面性能削弱，从而对复合材料的横向拉伸性能造成负面影响。吸湿平衡后的130℃条件下，RTM碳纤维复合材料的纵向压缩强度较室温干态时下降了17.0%。这是因为虽然单向复合材料的纵向压缩性能主要也是由增强材料控制，但同时也还受到基体树脂模量的较大影响。湿热条件造成基体树脂软化和模量下降，导致复合材料纵向压缩性能下降。

　　吸湿平衡后的130℃条件下，RTM碳纤维复合材料横向压缩强度下降较为显著，降幅达到约44.0%。这是由于进入基体树脂的水分产生增塑效应，使基体树脂的模量下降和韧性提升，从而导致复合材料横向压缩破坏的破断角增大和强度降低。此外，在高温测试条件下，基体树脂受热有一定程度的软化，这也对复合材料的横向压缩性能产生负面影响。

　　综合分析RTM碳纤维复合材料的湿热力学性能可见，吸湿平衡后的复合材料在高温条件下的力学性能较室温干态时的力学性能均有不同程度的下降，其中由增强纤维控制的力学性能（如纵向拉伸及纵向压缩性能）下降幅度相对较小，而与基体树脂及界面密切相关的力学性能（如横向压缩、层间剪切及面内剪切性能）则下降较为明显，说明湿热环境对由纤维控制的力学性能影响不显著，而对由基体或界面控制的力学性能有较为显著的负面影响。

　　阅读延伸：《RTM工艺成型国产T800碳纤维力学性能》