湿度对双稳态碳/环氧层压板尺寸稳定性的影响

《Polymer Composites》：Moisture Effects on the Dimensional Stability of Bistable Carbon/Epoxy Laminates

　　

双稳态复合材料层压板具有吸引力，因为它们可以在无需持续能量输入的情况下在两个稳定形状之间切换，从而在变形结构和能量收集装置中得到应用。然而，湿度显著影响其力学响应，可能改变曲率、突跳行为，甚至抑制双稳态。本研究通过实验与数值相结合的方法，研究了吸湿对碳纤维/环氧层压板形状变化和双稳态行为的影响。研究人员制造了不同铺层顺序的层压板，并将其暴露于受控湿度环境中。在对称和非对称吸湿条件下，测量了扩散系数（D）、湿膨胀（CME）和由此产生的挠度。为了分析瞬态行为，研究人员开发了一个有限元模型（FEM）来模拟湿扩散和变形。湿气传输被建模为一个由质量扩散方程控制的时间依赖过程，在层压板内产生浓度梯度。通过横向各向同性层压板的弹性平衡方程，将变形与局部湿浓度联系起来。数值预测与吸水和挠度测量结果吻合良好。结果表明，吸湿通常会降低双稳态层压板的曲率，而非对称吸湿最初可以增加单向层压板的曲率，为分析复合材料中湿驱动形状变化提供了预测工具。

双稳态复合材料层压板因其在无需持续能量输入下保持两个稳定构型的能力，在变形结构、能量收集装置等领域具有广泛的应用前景，例如航空航天中的变形机翼和可展开结构、机器人中的软体致动器以及建筑中的自适应遮阳系统。然而，实际服役环境中的湿度会显著影响其力学响应，导致曲率改变、突跳行为退化，甚至完全抑制双稳态。现有研究虽已建立分析模型和数值模型来评估湿热效应，但普遍存在两大缺陷：一是假设稳态或均匀湿分布，忽略瞬态扩散阶段的浓度梯度；二是仅考虑对称边界条件，未模拟实际应用中常见的非对称吸湿（如单侧暴露于湿环境）。这种简化低估了非均匀湿膨胀引起的应力重分布，可能导致结构在达到平衡前就发生早期失稳。因此，本研究旨在通过耦合质量扩散与结构力学的瞬态框架，揭示非对称边界条件下湿扩散对双稳态层压板形状变化的驱动机制，为工程中双稳态结构的长期可靠性设计提供预测工具。

研究人员采用实验与数值相结合的方法。首先，利用Technologycom（意大利）提供的碳纤维/环氧预浸料（EP20TU环氧树脂，Mitsubishi 34–700碳纤维）制造了不同铺层顺序的层压板：单向[0]₁₀、[90]₁₀以及交叉铺层[(0/90)₅]用于力学性能测试；单向[90]₄（UD）、单侧覆金属化薄膜的单向[90]₄（UDF）和交叉铺层[0₂/90₂]（BS）用于吸湿和挠度测试。所有样品均采用真空袋法（VBO）在120℃固化1小时。力学性能（纵向模量E₁、横向模量E₂、剪切模量G₁₂、泊松比ν₁₂）依据ASTM D3039和D3518标准通过拉伸试验获得。动态力学分析（DMA）测量干态和饱和态样品的玻璃化转变温度（T_g）。吸湿实验在40℃、75%相对湿度（RH）的气候箱中进行，依据ASTM D5229标准测定扩散系数（D）和平衡湿浓度（c_∞）。通过膨胀实验测量横向湿膨胀系数（CME₂）。挠度演化通过相机记录并分析。有限元分析（FEA）利用Ansys软件，基于热-湿扩散类比，将湿浓度视为温度、扩散系数视为热扩散率、湿膨胀系数视为热膨胀系数（CTE），建立瞬态一维扩散与弹性平衡耦合模型，模拟UDF（非对称边界）和BS（对称边界）层压板的湿吸收和变形过程。

### 3.1 力学与膨胀结果
通过拉伸试验获得单向层板的力学性能：E₁=147±1 GPa，E₂=7.88±0.11 GPa，ν₁₂=0.256±0.008，G₁₂=3.63±0.12 GPa，G₂₃通过Halpin-Tsai方程计算为3.13 GPa。吸湿实验显示，BS层压板的平衡湿浓度（c_∞=491±10 mol/m³）高于UD（355±1 mol/m³）和UDF（392±1 mol/m³），扩散系数则相反（BS: 0.27±0.02 μm²/s，UD: 1.96±0.05 μm²/s，UDF: 1.29±0.04 μm²/s）。这种差异归因于铺层对应力状态的影响，进而改变自由体积分数。DMA显示干态T_g约为108℃，饱和态下降至83℃，证明塑料化发生，但实验温度（40℃）远低于T_g，因此聚合物仍处于玻璃态。膨胀实验测得横向CME₂=6.43×10^-6 m³/mol，纵向CME₁假设为零（碳纤维不吸湿且刚度高）。

### 3.2 挠度与数值结果
FEA模型成功预测了湿浓度随时间的变化及其厚度分布。UDF和BS的模拟曲线与实验数据的均方根误差（RMSE）分别为10.1和15.5 mol/m³，验证了热-湿类比的有效性。浓度分布图显示，对称边界条件（BS）下浓度梯度均匀，而非对称边界条件（UDF）下仅单侧吸湿，产生显著梯度。挠度演化方面：UDF层压板的挠度先因非对称吸湿而增加，峰值约11 mm，随后随湿平衡而下降；BS层压板的挠度从12 mm持续下降至0，表明曲率完全消失。这归因于90°铺层在x方向上的湿膨胀释放了固化残余应力，导致净弯曲力矩减小。此外，采用Neumann和Marom模型预测应力状态下的湿含量，对BS层压板得到0.779%，与实验值0.737%吻合，进一步证实了应力-扩散耦合效应。模型还表明，若UDF无金属化薄膜限制横向位移，其最终挠度也将归零。

讨论部分指出，曲率变化的物理机制在于热应变与湿应变的叠加：固化冷却后CTE失配产生初始双稳态曲率；吸湿后横向膨胀在约束下产生局部压缩应力，抵消固化残余拉伸应力，从而降低弯曲力矩。本研究未考虑温度对扩散系数和力学性能的影响，但指出温度会加速扩散，且湿吸收可能降低弹性模量，这些将在未来工作中纳入。强耦合关系表明，环境湿度是双稳态结构的主要操作约束，可完全抑制双稳态，因此工程设计中必须采用湿屏障涂层以确保长期尺寸稳定性。

结论：研究人员通过实验与数值方法研究了吸湿对双稳态碳/环氧层压板形状变化的影响。测量了不同铺层在对称和非对称吸湿条件下的扩散系数、湿膨胀和挠度，并建立了耦合扩散-力学的有限元模型。模型准确预测了湿浓度和挠度的时间演化，验证了热-湿类比的可行性。结果表明，吸湿通常降低双稳态层压板的曲率，但非对称吸湿初期可增加单向层压板的曲率。该模型为预测复合材料在湿环境中的动态行为提供了可靠工具，对航空航天和变形结构等需要尺寸稳定性的应用至关重要。