1  引言
    湿热老化试验是一种人工模拟环境试验。使用湿热试验设备产生湿热气氛模拟产品在储存、运输和使用过程中可能遇到的湿热环境，以考核产品的耐候性。人工加速湿热老化一般采用恒温恒湿试验法和交变温湿度循环试验法。湿热老化试验除了人工模拟湿热环境外还具有加速作用，可大大缩短试验时间，且具有与现场暴露试验相似的试验结果。
    随着复合材料应用的不断推广，上世纪90年代，人们尝试用复合材料代替金属材料制作导线的芯材，取得了一定的成果，并开发出几种复合材料芯导线。日本学者用碳纤维复合材料芯代替钢芯，开发出新型碳纤维复合芯铝导线。美国CTC复合材料科技公司对碳纤维复合材料芯电缆展开了一系列研究，并开发出相应的产品。无锡远东电缆有限公司用碳纤维增强环氧树脂制得复合材料电缆芯，并对复合材料芯电缆的安全性和可靠性进行了检测，但对其在各种环境介质下的老化研究尚未开展。
    混杂纤维增强环氧树脂复合材料电缆芯增强体由外层玻璃纤维包裹内层碳纤维构成。与传统钢芯相比，它具有轻质、高强、耐高温及耐腐蚀等优点。与碳纤维增强复合材料芯相比，它具有耐磨的特性。电缆芯工作环境恶劣，除了高温和长期张力负荷外，雨水侵蚀及风引起的振动通常会影响其工作寿命。复合材料电缆芯的失效一般认为是由退化机制造成的。在湿热和载荷等作用下纤维、基体和界面发生了物理、化学变化和降解。本文采用拉挤成型工
艺，制备了玻璃纤维／碳纤维混杂增强环氧树脂复合材料电缆芯，并模拟电缆芯的工作环境，着重研究了其湿热老化性能及强度退化机制。
2  实验部分
2.1  原料及设备
    本文使用的原料及设备详见表1，2。

2.2  试验
    本文使用以上原料拉挤成型复合材料电缆芯，在80℃及，RH95％下对其进行加速湿热老化试验。按GB/T13096.2-91和ASTM D4475-02要求制备试样，每250h取出一次，共进行1750h，分别测试不同湿热老化时间下试样的弯曲强度和短梁剪切强度，并用扫描电镜观察试样断口形貌。
3  结果与讨论
3.1  力学性能
    混杂纤维增强环氧树脂复合材料电缆芯的弯曲强度、弯曲模量、层间剪切强度与加速湿热老化时间的关系见表3。

  从表3可以看出，高温高湿老化过程中弯曲强度和弯曲模量并非一直下降，而是一个起伏的过程。这表明温度、湿度对材料性能的有利和不利影响同时作用于试样的老化过程中。一方面高温下湿气的渗透，恶化了界面性能，导致力学性能下降；另一方面高温使材料中的树脂固化程度增加，造成力学性能提高，两种作用的强弱不同和相互消长使材料性能出现起伏。但是弯曲强度是呈下降趋势的，这与界面脱粘破坏有关。界面脱粘削弱了纤维和基体之间载荷的传递能力，导致弯曲强度下降。弯曲性能是试样力学性能的综合反映。试样在弯曲载荷作用下受拉应力、压应力和剪应力等作用，所以该性能的降低表明湿热老化后试样综合性能下降。
    复合材料在水气作用下，由于水能使基体溶胀塑化并扩散至基体与纤维的界面，从而造成基体强度下降，界面脱粘，进一步导致层间剪切强度降低。加速湿热老化过程中层间剪切强度直接地考察了界面性能，此性能呈明显下降趋势。
    φ6.5mm与φ8.5mm的混杂纤维增强环氧树脂复合材料电缆芯相比，前者的弯曲强度、弯曲模量和拉伸强度均高于后者，耐老化性能也优于后者。如图1所示，加速湿热老化1750h后φ6.5mm电缆芯弯曲强度保留率为71.21%，而φ8.5mm电缆芯的保留率为65.52%。如图2所示，加速湿热老化1750h后φ6.5mm电缆芯剪切强度保留率为73.61%，而8.5mm电缆芯的保留率为58.81％。这两种直径的电缆芯成型工艺条件相同，而力学性能有较大差异。这是由于拉挤工艺中成型杆件直径越小，纤维的排布及浸渍越容易，固化越完全，缺陷出现的几率越小，因而细杆件的力学性能优于粗杆件。湿热老化过程中界面结合良好且缺陷少的细杆也不容易被水侵蚀，所以φ6.5mm的电缆芯耐湿热老化性能优于φ8.5mm的电缆芯。

    据文献「7」报道，温度、湿度对材料力学性能的影响较大。温度、湿度越高，力学性能下降越大。试样在80℃和RH95％下加速老化1750h，端面未作处理，呈开放状态，相对于实际使用环境而言，该老化条件是相当苛刻的。即便这样，试样的弯曲强度保留率仍大于65%，剪切强度保留率大于58％，弯曲模量在整个老化过程中变化不大。可见混杂纤维增强环氧树脂复合材料电缆芯具有优良的环境适应性和耐湿热老化性能。
3.2  断面分析
    湿热环境下混杂纤维增强环氧树脂复合材料微观结构可诱发变形、内应力、开裂等现象而使性能下降。水气自纤维和树脂的界面与基体的缺陷向内扩散，造成树脂的溶胀，同时纤维也约束了溶胀的进一步进行。试样中不同位置吸湿量的差异会导致内应力的产生，而且水气使环氧树脂柔化，对层间剪切强度影响较大。湿热条件造成复合材料力学性能降低的原因有①水分子逐步渗透到材料体系内部降低了大分子间的作用力，水分子进一步积聚形成水泡；②水分子的渗入导致基体树脂分子链断裂，发生化学降解，分子量下降；③水分子的渗入降低了界面处树脂与纤维的粘接强度，导致界面脱粘。
    湿热老化前，基体与纤维的界面粘结良好。由图3（a）可见，弯曲试验过程中树脂牢固地粘结在碳纤维表面，断裂的纤维上粘有较多树脂，表明界面结合较好，所以此时的弯曲强度高；湿热老化后环氧树脂在热应力作用下界面开裂，树脂与纤维的界面粘结性能变差，所以弯曲性能下降。水气的渗入使树脂溶胀，纤维表面受浸蚀，由图3(b)可见断裂的纤维上只粘有少量树脂，表明界面结合较弱。

    湿热老化前后短梁剪切劈开面形貌如图4所示。由图4(a)可见，湿热老化前环氧树脂皱褶附着纤维表面，呈韧性断裂，纤维表面粘有很多树脂碎屑，界面结合较好，但从图4（b）可见，加速老化500h后纤维表面较光滑，界面粘结性能降低，弯曲强度和剪切强度也相应下降。

4  结论
    （1）从宏观角度分析，湿热老化后的玻纤／碳纤混杂增强环氧树脂复合材料电缆芯层间剪切强度降低，弯曲模量几乎不变，弯曲强度的总体趋势是降低的；
    （2）从微观角度分析，湿热老化后的玻纤／碳纤混杂增强环氧树脂复合材料电缆芯界面性能恶化，界面粘结强度下降，导致宏观力学性能的降低；
    （3）80℃及RH95％下湿热老化1750h后，玻纤和碳纤混杂增强环氧树脂复合材料电缆芯的弯曲性能保留率大于65％，层间剪切强度保留率大于58%，表明该材料具有较好的耐湿热老化性能。