玻璃纤维增强环氧复合材料热氧老化性能的多尺度表征与机制研究

【编辑推荐】电磁发射器绝缘材料F881玻璃纤维增强环氧复合材料(GFRP)在高温工况下易出现性能劣化。研究人员通过110°C/150°C下144-648小时热氧老化(TOA)实验，结合SEM-EDS/FTIR/TGA等多尺度分析，揭示环氧树脂粒子细化、微裂纹扩展等微观退化机制，发现弹性模量/弯曲强度沿0°/45°/90°方向加速下降但热稳定性保持，为高温用GFRP绝缘体设计提供关键依据。

　　

电磁发射技术作为新型能量装备的核心，其绝缘材料的可靠性直接决定系统寿命。其中F881玻璃纤维增强环氧复合材料(GFRP)作为电磁线圈封装的关键材料，长期面临高温冲击下的性能衰减难题——树脂基体氧化裂解、纤维-树脂界面脱粘引发的微裂纹，可能导致绝缘失效甚至安全事故。尽管前人已发现环氧树脂在热氧老化(TOA)过程中存在后固化、羰基增长等反应，但针对特定工艺制备的正交缠绕结构GFRP的多尺度退化机制仍不明确。

为解决这一瓶颈问题，国内研究人员在《Polymer》发表最新成果。研究团队通过设计110°C和150°C下144-648小时的阶梯式TOA实验，综合运用力学性能测试、扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析(TGA)等技术，系统揭示了F881 GFRP的退化规律。特别关注了材料在0°/45°/90°三个特征方向的性能异质性，并首次通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)解析了老化过程中的特征降解产物。

材料与方法
研究采用电子级(E-grade)玻璃纤维布与EX-20环氧树脂/双氰胺固化剂体系，通过正交缠绕工艺制备F881 GFRP样品。老化实验设置110°C/150°C两组温度与144/360/648小时三阶段时长。力学测试涵盖弹性模量、弯曲强度等参数；SEM-EDS表征微观形貌与元素分布；FTIR追踪官能团变化；TGA评估热稳定性；GC-MS鉴定挥发性降解产物。

外观变化
宏观观察显示，110°C老化样品由浅绿渐变为深绿色，150°C组则呈现黄褐→深褐的显著色变。这种颜色演化与环氧树脂中醚键(-O-)氧化裂解生成羰基(C=O)等发色团直接相关，证实表面氧化反应随温度/时间呈指数级加剧。

微观结构退化
SEM揭示150°C老化648小时后出现三重损伤特征：(1)环氧基体发生"粒子细化"现象，原始连续相破碎为亚微米级颗粒；(2)纤维-树脂界面产生≥5μm的分离间隙；(3)微裂纹沿45°方向优先扩展。能谱分析显示氧化层厚度与老化温度呈正相关，150°C组氧化层渗透深度达110°C组的2.3倍。

力学性能衰减
三点弯曲测试表明：0°方向弹性模量在150°C/648h条件下下降37.5%，显著高于90°方向的28.1%降幅，反映纤维取向对性能保持的关键作用。值得注意的是，45°方向弯曲强度出现断崖式下降（最大降幅达52%），这与SEM观测到的微裂纹择优扩展方向高度吻合。

化学机制解析
FTIR谱图中2920cm^-1处C-H键衰减揭示后固化效应，同时1710cm^-1处新现羧基/酯基特征峰。GC-MS检测到苯酚、双酚A等降解产物，结合TGA显示的5%失重温度保持稳定(均在320±5°C)，证实材料热稳定性未受根本破坏。研究人员创新性提出"梯度氧化"模型：表面氧化层通过阻碍氧气扩散，反而保护了内部材料的完整性。

这项研究首次建立了正交缠绕GFRP在电磁发射工况下的"温度-时间-性能"预测模型，其揭示的45°方向脆弱性为优化纤维铺层设计提供了直接依据。提出的"后固化-氧化裂解-界面脱粘"三阶段退化机制，不仅适用于电磁装备绝缘材料开发，对航空航天用复合材料的寿命预测同样具有指导价值。特别是发现的热稳定性与力学性能退化的非同步现象，为高温复合材料的功能化设计开辟了新思路。