孔隙率对碳纤维/尼龙6复合材料湿热性能影响的数值模拟研究

孔隙在复合材料制造过程中广泛存在,在湿热环境下孔隙的存在会改变应力场和水分场,进而影响复合材料的吸湿性能与力学老化性能。对碳纤维/尼龙6(Carbon fiber reinforced polyamide 6,CF/PA6)复合材料在不同温度浸水环境下吸湿老化后的力学性能测试,研究了温度与吸湿量对其力学性能的影响及强度与模量等力学参数的演化规律,建立吸湿参数与力学参数的关联函数。基于随机顺序吸附法算法(Random sequential adsorption,RSA),建立了纤维、界面和孔隙随机分布的代表性体积单元(Representative volume element,RVE)模型。在本构模型中引入依赖于吸湿量的退化因子,研究了孔隙含量对复合材料横向拉伸、压缩、剪切强度和模量的影响,揭示了湿热老化前后不同的失效机制。结果表明：在热湿老化前,由于应力集中,孔隙会导致复合材料力学性能下降,孔隙率含量每增加1%,横向拉伸强度降低6.4%;湿热老化后,基体吸湿塑化效应是复合材料力学性能降低主要因素,对应降低率为3.86%。     

海水环境下老化周期对T800碳纤维/环氧树脂复合材料的影响EI北大核心CSCD

研究T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在海水环境中进行湿热腐蚀老化,将制备好的试件放置在人工制备70℃,3.5%NaCl溶液中腐蚀30,60,90 d,通过质量变化、老化前后表面形貌、红外光谱、动态力学性能、压缩实验和层间剪切实验分析材料的力学性能变化。结果表明:T800碳纤维/环氧树脂复合材料在3.5%NaCl溶液中吸湿率分别为0.39%,0.47%,0.53%;未老化试样纤维与基体之间黏结良好,在3.5%NaCl溶液老化后纤维与基体界面破坏随时间的增加老化更加严重;玻璃化转变温度T_(g)下降,分别在老化30,60,90 d后从189.16℃下降到177.54,171.88,168.06℃;经3.5%NaCl溶液老化后,老化30,60,90 d试样的最大破坏载荷分别降低3.2%,8.4%,15.3%,压缩强度分别降低3.0%,8.2%,15.9%;层间剪切最大破坏载荷分别降低3.0%,9.2%,14.9%,剪切强度分别降低3.0%,9.7%,16.4%。     

连续碳纤维/尼龙6热塑性复合材料的吸湿及力学性能

利用热压工艺制备了三种不同等温结晶时间的连续碳纤维（CF）增强尼龙6（PA6）单向复合材料,并分别研究了吸湿前后连续CF/PA6复合材料单向板的0°拉伸、90°拉伸、弯曲和层间剪切性能变化。结果发现,CF/PA6复合材料的0°拉伸、90°拉伸、弯曲和层间剪切强度（模量）分别下降了10%~37%（0~0.6%）、35%~46%（62%~64%）、53%~61%（16%~28%）和5%~31%。结合SEM断面观察和抛光金相显微学给出了吸湿对CF/PA6复合材料性能的影响机制。      

湿热环境下碳纤维增强乙烯基树脂复合材料长期力学性能

碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)因其耐腐蚀、轻质高强等特点被广泛应用于海洋环境,进而长期遭受湿热环境的考验。为了解湿热环境和极端温度对碳纤维增强乙烯基树脂复合材料的影响,测试了湿热老化前后和不同温度下CFRP的压缩性能、面内剪切性能和层间剪切强度变化。FTIR和SEM结果表明：纯树脂试样在湿热环境中发生了水解,使试样表面的微裂纹和孔隙不断扩展并向试样内部渗透;碳纤维的埋入抑制了水的扩散和水解,因而CFRP的吸湿曲线与Fickian模型高度吻合;纯树脂由于水解反应影响了吸湿通道使吸湿曲线偏离Fickian模型。力学性能表明：湿热老化90天后压缩强度和层间剪切强度分别降低7.6%、12.3%;试样在高温(70℃)下的压缩强度、面内剪切强度、层间剪切强度分别急剧降低36.2%、26.9%、37.4%,且高温对试样力学性能的影响具有部分可逆性。     

高温环境下碳纤维增强树脂复合材料的层间力学性能老化行为与失效预测

为了研究碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料层间力学性能在高温环境中的老化失效行为,设计了CFRP复合材料层间拉伸和层间剪切实验,在高温(80℃)环境中进行0(未老化)、 120 h、 240 h、 360 h、 480 h、 600 h和720 h的老化测试,分析CFRP层间失效强度和失效形式随老化时间的变化规律,得到随高温老化的二次应力准则响应面。建立CFRP复合材料层间力学性能预测模型,得到不同老化衰减系数下的退化模型,并通过CFRP复合材料层间仿真模型进行了验证。结果表明:随着高温老化时间的增加,层间拉伸和层间剪切强度总体上都发生了一定程度的退化,层间拉伸时更容易发生碳纤维丝剥离,层间剪切发生局部的树脂剥离,纤维之间的分层更加明显,高温老化使树脂与纤维丝的界面结合力显著下降。通过CFRP复合材料层间力学性能随高温老化的二次应力准则,计算不同老化时间后的内聚力模型参数,预测CFRP复合材料在高温老化条件下的层间强度,发现仿真与实验误差小于10%,说明了CFRP复合材料层间失效预测模型的准确性。     

芳纶纤维吸湿行为的研究

研究了芳纶纤维吸湿行为并计算其扩散系数,同时研究了复合材料吸湿对其层间剪切强度(ILSS)的影响.结果表明:经等离子体处理后的芳纶纤维虽吸湿量增大,但由其制成的复合材料的层间剪切强度不是降低而是增加,而且浸水后复合材料的层间剪切强度下降百分率降低,尤其在较高温度下吸湿后的复合材料层间剪切强度下降百分率降低更明显.这是因为经等离子体处理后,界面引入化学键结合使界面粘接强度及抗水性能提高所致.     

湿热环境对抽油杆CF/VE拉挤复合材料的影响

研究了95℃蒸馏水环境中油田抽油杆用碳纤维/乙烯基酯树脂(CF/VE)拉挤复合材料的吸湿特性,以及材料的力学性能和动态热机械性能的变化,并观察了湿热老化前后该复合材料的表面和断口形貌。结果表明,CF/VE拉挤复合材料的吸湿行为符合菲克第二定律,材料的平衡含湿量M_m约为1.046％,水分在复合材料中的扩散系数约为2.233×10-6 mm2/s;复合材料的性能下降趋势与吸湿率的增加趋势相对应,浸泡1176 h后,弯曲强度和层间剪切强度的最终保留率分别约为49％和54％;DMTA及SEM结果表明,湿热环境导致该复合材料发生基体溶胀、塑化和界面脱粘,引起基体和界面形貌的变化,但未发生化学老化。      

孔隙率对碳纤维/环氧树脂复合材料层合板湿热性能的影响

针对某飞机上应用的典型铺层[(±45)4/(0,90)/(±45)2]S和[(±45)/(0,90)2/(±45)]S,研究了孔隙对碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板的吸湿行为和层间剪切强度的影响。采用不同的热压罐固化压力制备了不同孔隙率的试样。采用显微图像分析技术对孔隙率和孔隙的微观结构特征进行了详细的分析。研究结果表明:孔隙主要分布于层间,且随着孔隙率的增大,孔隙的尺寸增大;2种层合板的吸湿率和最大吸湿量随着孔隙率的增加而增加;湿热老化和未经湿热老化的层间剪切强度都随着孔隙率的增加而下降。铺层[(±45)4/(0,90)/(±45)2]S未经湿热和湿热后的层间剪切强度随着孔隙率增加分别下降6%(孔隙率:0.6%~6.3%)和9%(孔隙率:0.4%~7.0%);铺层[(±45)/(0,90)2/(±45)]S未经湿热和湿热后的层间剪切强度随着孔隙率增加分别下降14%(孔隙率:0.4%~6.9%)和7%(孔隙率:0.2%~8.9%)。     

循环湿热环境下碳纤维复合材料界面性能

为研究循环湿热环境对CCF300/5405复合材料体系界面性能的影响,首先对该体系循环吸湿—脱湿行为进行研究,其次分析湿热环境下层间剪切强度的变化,最后采用扫描电镜观察纤维/基体界面的微观形貌.研究结果表明:CCF300/5405体系吸湿处理后,纤维与基体间界面遭到水分破坏,产生大量空隙和裂纹,使得水分的扩散速率明显增加,吸湿率增大,且这种破坏不可逆;吸湿之后材料层间剪切强度下降,烘干之后可以恢复到近于自然干态水平;相对于水分对复合材料的不可逆破坏,可逆破坏对层间剪切强度值减小的贡献更大.     

湿热环境对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能的影响

对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料进行湿热老化实验,通过质量变化、老化前后表面形貌、红外光谱、动态力学性能,层间剪切和压缩实验,研究3.5％(质量分数,下同)NaCl溶液和去离子水两种介质分别在70℃下溶液浸泡对碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能的影响.结果表明:T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在去离子水和3.5％NaCl溶液中的吸湿率相对较低,分别为0.82％和0.67％;未老化试样纤维与基体之间黏结良好,在3.5％NaCl溶液老化后纤维与基体界面破坏相比去离子水中老化更严重;经去离子水中浸泡后剪切强度降低8.8％,压缩强度降低4.3％;在3.5％NaCl中浸泡后剪切强度降低10.1％,压缩强度降低4.7％.在两种溶液老化后试样的Tg降低,但相差不大.此次研究结果对T800碳纤维/环氧树脂基复合材料在腐蚀环境中的应用提供了依据.     

γ射线辐照对高模量碳纤维及碳纤维/氰酸酯复合材料性能的影响

通过模拟空间γ射线辐照环境,采用⁶⁰Co-γ射线对高模量碳纤维及其增强的改性氰酸酯复合材料进行辐照,采用SEM和XRD对辐照前后的碳纤维及碳纤维/氰酸酯复合材料进行了分析和表征,研究了复合材料的质量损失率、拉伸性能及层间剪切强度随γ射线辐照剂量的变化规律。结果表明,γ射线辐照能增加碳纤维表面粗糙度;质量损失率随γ射线辐照剂量增大先增加后趋于平缓,但均小于1%;碳纤维/氰酸酯复合材料拉伸性能与层间剪切强度均随γ射线辐照剂量增大先提高后降低,在吸收剂量为5×10⁵ rad时出现最大值,拉伸强度为1 803 MPa,拉伸模量为243 GPa,层间剪切强度为72 MPa。     

原位聚合法制备连续玻璃纤维增强PCBT复合材料及其性能

采用环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)原位聚合制备了连续玻璃纤维(GF)增强聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)复合材料。考察了聚合反应中催化剂用量对PCBT结晶度以及GF/PCBT复合材料力学性能的影响。当催化剂用量为0.5%(质量分数)时, PCBT的结晶度为53%, GF/PCBT的力学性能达到最佳, 拉伸强度为522 MPa, 拉伸模量为27 GPa, 弯曲强度为481 MPa, 弯曲模量为24.8 GPa, 层间剪切强度(ILSS)为43 MPa。SEM观察表明, 发现催化剂用量为0.5%时, 树脂与纤维的结合性较好。进一步研究了淬火和退火后处理对复合材料力学性能的影响。发现复合材料退火处理后具有较好的力学性能, 其中拉伸强度为545 MPa, 弯曲强度为495 MPa。     

热氧老化对纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料力学性能的影响

通过改变预制体结构衬纱取向的方法制备了几种含不同剪切角的纬编双轴向多层衬纱(Multilayered biaxial weft knitted,MBWK)织物增强复合材料。基于Arrhenius模型和Ozawa法设计了热氧老化试验,采用力学性能测试、DSC、FTIR和DMA测试对老化前后的试样热-物理性能进行了表征。实验结果表明：预制体的纱线剪切角不同,其复合材料受热氧老化后力学性能的保留率也显著不同,由于乙烯基酯树脂在热氧老化环境中会发生后固化现象,因此复合材料的弯曲模量在老化过程中呈现先增加后下降的趋势,而拉伸性能则受到增强体结构的影响,纤维/基体界面的结合力退化使拉伸模量在老化过程中持续下降;随着老化时间的延长,树脂的固化度逐渐增加,玻璃化转变温度T_g逐渐升高,储能模量峰值在老化初期由于分子链交联上升,老化后期分子链断裂占据主导作用致使峰值逐渐下降。     

Application of Interlaminar Tests to Marine Composites. A Literature Review

This paper gives an overview of the characterization of the interlaminar properties of composites used for marine structures. Composites to be used in marine applications have particular requirements due to their environment, their large dimensions, mechanical loading and cost constraints. Under certain loading conditions (insert loading, impact) there is a risk of delamination as interlaminar strength of these materials is limited. This paper presents an overview of the tests available to measure delamination resistance. The parameters which influence this property, including the constituents (fibre, matrix, interface), specimen geometry, fabrication route and the resulting defects, and aging are reviewed here.     

麦秸秆粉/PP木塑复合材料紫外线加速老化性能

以麦秸秆粉为填充材料(质量分数50%),以聚丙烯(PP)膜为基体材料,采用混炼模压成型制备麦秸秆/PP木塑复合材料,对其进行紫外线加速老化实验,对比研究不同填充材料的木塑复合材料老化前后的力学性能和颜色变化,用FTIR分析探讨了复合材料老化机制,用SEM观察其表面微观形貌。结果表明,紫外线加速老化会导致麦秸秆/PP复合材料力学性能降低,当老化时间小于960 h时,麦秸秆/PP木塑复合材料弯曲强度、拉伸强度下降幅度较小,老化时间大于960 h时,力学性能下降幅度较大,材料褪色明显; 老化1200 h其弯曲强度、拉伸强度、冲击强度分别下降67.2%、47.89%、32.41%; 麦秸秆纤维中羟基加速了PP的紫外光降解,最终材料表面出现明显裂纹,部分纤维剥落并伴随有PP粉化现象。     

T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料自然老化性能与机制

为验证复合材料的耐久性,对T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料经自然老化后的微观形貌、表面元素含量、热性能与力学性能等进行了研究。结果表明: 在光氧老化与热氧老化的共同作用下,T700碳纤维增强EP-A环氧树脂基（T700/EP-A）复合材料表层树脂将发生老化降解,并且随自然老化时间的延长,T700/EP-A复合材料的玻璃化转变温度逐渐降低,未老化试样的玻璃化转变温度为207℃,经过自然老化处理3年后,其玻璃化转变温度降低为180℃,延长自然老化时间至5年时,其玻璃化转变温度进一步降低至172℃。而自然老化过程对复合材料力学性能可能同时存在着增强效应与损伤效应,因此造成了T700/EP-A与T700/EP-B复合材料的不同力学性能表现出相异的变化趋势。随自然老化时间延长,T700/EP-A与T700/EP-B复合材料纵向拉伸强度表现出先升高后降低的趋势,纵向弯曲强度表现出逐渐升高的趋势,纵向压缩强度与层间剪切强度存在波动,未呈现出明显变化。