試談碳纖維復(fù)合材料濕熱性能研究進展(已修改)
2025-07-02 02:34 本頁面
【正文】 碳纖維復(fù)合材料濕熱性能研究進展呂新穎1,2，江龍1，閆亮1，王榮國1，劉文博1 （ 黑龍江 哈爾濱 150001； 黑龍江 哈爾濱 150040）摘 要：對于碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，濕熱環(huán)境條件對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響非常明顯，可導(dǎo)致復(fù)合材料的強度和剛度下降。在研究了國內(nèi)外關(guān)于碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料濕熱老化性能的基礎(chǔ)上，從理論模型和試驗方法兩方面分析了復(fù)合材料吸濕模型和擴散機理，結(jié)合實際需求對國內(nèi)外關(guān)于碳纖維復(fù)合材料濕熱性能的試驗方法和測試手段進行了評價，認(rèn)為目前濕熱加速老化性能的研究具有一定的局限性，并提出了下一步研究思路。關(guān)鍵詞：碳纖維；復(fù)合材料；濕熱性能；擴散機理；加速老化；壽命預(yù)測中圖分類號: Hydrothermal properties of carbon fiber reinforced plasticsLV Xinying1,2 , JIANG Long1, WANG Rongguo1, LIU Wenbo1( Institute of Technology, Harbin 150001, China。 Forestry University, Harbin 150040,China)Abstract: This paper presents the sudies of the hydrothermal properties of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) and analyzes the moisure model and diffusion mechanism through theory and experience. Meanwhile, the paper summarizes the experience methods and testing means of CFRP’s hydrothermal properties at home and abroad. Finally, the status of accelerated aging environment of CFRP is pointd out and some remendations for future work are proposed.Key words: Carbon fiber。 posites。 hydrothermal properties。 diffusion mechanism。 accelerated aging。 life prediction碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP)的高比強、高比模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好、性能可設(shè)計性等優(yōu)勢已被世人所共識[1]，逐步成為先進國防裝備的首選材料。但眾所周知，樹脂基體具有一定的極性，在濕熱的環(huán)境中容易吸濕[2]，吸入的水分對基體的塑化和溶脹作用以及因樹脂與纖維濕、熱膨脹系數(shù)的不匹配所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力引起的微裂紋，使復(fù)合材料性能急劇下降。世界各國對復(fù)合材料濕熱環(huán)境下的力學(xué)、物理行為都給予了很大重視，并將復(fù)合材料濕熱環(huán)境下的力學(xué)性能作為衡量其耐久性和損傷容限的參量予以考慮和研究[3]。近10年來，濕熱環(huán)境對碳纖維復(fù)合材料的影響已有大量研究，近兩年關(guān)于復(fù)合材料濕熱性能的研究呈明顯上升趨勢。關(guān)于其濕熱老化的現(xiàn)有文獻主要是對吸水?dāng)U散模型的研究[4]和濕熱老化力學(xué)性能[5,6]及熱性能[79]的研究。復(fù)合材料應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)不僅要承受復(fù)雜、長時的疲勞載荷、意外沖擊載荷等作用，而且還要承受溫度、濕度等嚴(yán)苛的外部環(huán)境因素的考驗。隨著飛機性能的不斷提高，對結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能要求也越來越高。同時，復(fù)合材料自身具有組分多元性、結(jié)構(gòu)多重性、失效模式多樣性，這些特點使得復(fù)合材料性能演化分析十分復(fù)雜。對于樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，濕熱環(huán)境條件對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響非常明顯，可導(dǎo)致復(fù)合材料的強度和剛度下降。特別是國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料濕熱性能普遍低于進口T300碳纖維復(fù)合材料，而某些樹脂體系的國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料濕熱性能又反常，其內(nèi)在本質(zhì)與機理尚不清楚。這些問題的存在將嚴(yán)重影響國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的可靠應(yīng)用，因此，實現(xiàn)服役環(huán)境下國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料濕熱性能的研究是促進其應(yīng)用的重要保證和前提。1. 碳纖維復(fù)合材料吸濕擴散機理碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的吸濕過程主要涉及三個方面[10]：水分子在樹脂基體中的擴散，水分子沿纖維基體界面的毛細(xì)作用以及水在孔隙、微裂紋和界面脫粘等缺陷中的聚集。吸濕的水分使基體大分子結(jié)構(gòu)間距增大，剛性基團的活性增加，基體發(fā)生溶脹，進而產(chǎn)生增塑，水向基體的吸濕性擴散，由此產(chǎn)生滲透壓使基體內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、微小裂縫或其他類型的形態(tài)變化,使吸濕量增加，水助長裂紋的擴散，使基體破裂，基體水解導(dǎo)致斷鏈和解交聯(lián)，這 對材料的破壞是永久性的[11,12]。研究復(fù)合材料的瞬間吸濕行為和達到飽和狀態(tài)
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