不同湿热条件下碳纤维/QY9611复合材料湿热性能研究

研究国产碳纤维/QY9611复合材料在3种不同湿热环境(水煮、70℃水浸、70℃下85%相对湿度)下的吸湿规律;考察不同湿热条件对复合材料层间剪切性能的影响规律;在3种不同湿热环境下对复合材料进行定量吸湿,并测试定量吸湿下复合材料常温的层间剪切性能。结果表明:湿热环境越恶劣,平衡吸湿量越大,吸湿速率越快;3种湿热环境的吸湿过程中材料并没有发生化学变化;碳纤维/QY9611复合材料在湿态23℃和150℃层间剪切性能保持率分别在88%和70%以上;碳纤维/QY9611复合材料吸湿后层间剪切性能主要由吸湿率决定,不同湿热条件相同吸湿率下层间剪切性能的下降幅度基本相同。     

碳纤维/QY9611复合材料湿热性能研究

研究国产碳纤维/QY9611复合材料固定吸湿量下的湿热性能。通过71℃水浸方法测得该型复合材料的饱和吸湿率仅为0.73%左右,选取吸湿率0.2%、0.4%、0.6%和饱和吸湿作为试验的固定吸湿量。每个固定吸湿量分别在室温和高温150℃环境下进行弯曲性能试验和层间剪切性能试验。并在Q800型动态力学热分析仪上进行动态力学性能试验。结果表明:随着复合材料的吸湿量持续增加,复合材料力学性能呈下降趋势;碳纤维/QY9611复合材料在干态150℃下弯曲性能和层间剪切性能保持率在70%以上;碳纤维/QY9611复合材料在湿态150℃下弯曲性能和层间剪切性能保持率在50%以上;吸湿后其玻璃化转变温度Tg下降缓慢,极限使用温度可达132℃。     

湿热环境对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响及其损伤机理

采用加速吸湿法研究经3种湿热环境(湿度为85%RH,温度分别为25,70,85℃)处理后CFRP层合板的吸湿特性,对吸湿前后的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板分别进行拉伸、压缩、剪切实验,研究其力学性能变化规律,利用扫描电镜和红外光谱分析湿热环境中CFRP层板的损伤机理,最后采用最小二乘法拟合提出湿热环境下CFRP层合板力学性能的预测公式。结果表明:CFRP层合板的吸湿初期特性符合Fick定律;相同湿度下环境温度越高,CFRP的吸湿速率和平衡吸湿率越大,达到吸湿平衡所需时的间越长;3种湿热环境处理后的CFRP层板的90°拉伸和剪切力学性能下降最明显;经湿热环境处理后水分子通过氢键与环氧树脂发生缔合,但CFRP层合板中的各组分未发生化学结构变化;拟合建立的不同湿热条件下力学性能衰退公式与实验结果基本一致。     

湿热环境下复合材料层板拉-压性能

通过对碳纤维环氧复合材料试样进行不同湿热环境下的拉伸和压缩实验,分析其吸湿特性、拉压力学性能、破坏后断口形貌以及动态力学性能,探讨湿热对该复合材料的拉伸和压缩性能的影响。结果表明:碳纤维环氧复合材料的吸湿过程满足Fick定律,饱和吸湿率约为0.86%。吸湿后材料表面变得光滑,有少量纤维拔出和树脂破坏发生,但吸湿后没有发生化学反应和新物质生成。吸湿后在130℃下,复合材料的拉伸性能保持率为96%,而压缩性能保持率仅为69%。吸湿后玻璃化转变温度比干态时下降了33℃。     

湿热环境对碳纤维增强聚苯硫醚层合板感应焊接接头性能的影响

以碳纤维增强聚苯硫醚(Carbon fiber reinforced polyphenylene sulfide, CF/PPS)复合材料层合板为研究对象,采用感应焊接方法对CF/PPS层板进行了焊接,重点研究了湿热环境对CF/PPS层板焊接接头性能的影响,实验结果表明:吸湿前后PPS树脂未发生化学变化;室温环境下,随着吸湿时间的增加,焊接接头剪切强度逐渐下降,与干态焊接接头相比分别降低了15%、18%、23%、32%和38%,不锈钢网-树脂基体-碳纤维界面处的湿应力不断增大,削弱了焊接接头界面的结合性能,影响了焊接接头的失效形式;120℃环境下,不同吸湿时间焊接接头剪切强度的下降率分别为12%、15%、22%、37%和44%,高温高湿使不锈钢网-树脂基体-碳纤维界面处热应力和湿应力增大,加剧了界面结合的损伤,界面脱粘成为焊接接头主要的失效形式。      

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。     

全湿热场下碳纤维/环氧树脂复合材料层间剪切强度

针对T700/TR1219B碳纤维/环氧树脂复合材料,在不同湿/热/力耦合条件下进行层间剪切实验,对比分析性能衰减规律,通过峰值力纳米力学模量成像技术定量表征界面尺寸变化,并结合微观断口形貌分析探究湿热损伤机制。结果表明,T700/TR1219B的层间剪切性能受湿、热场影响显著,当吸湿率为2%时,层间剪切强度从原样的72.64 MPa下降到46.92 MPa;随温度的升高,层间剪切性能呈线性递减趋势,降幅约为0.35 MPa/℃;高温高湿环境下层间剪切强度最大降幅达到93%,且温度场造成的损伤效应高于湿度场。微观表征结果表明,吸湿作用是导致界面尺寸增大的主要因素,而高温高湿环境会对纤维、树脂及其界面均造成明显损伤。通过对比分析湿、热单一和耦合作用下T700/TR1219B层间剪切强度的变化规律,建立了全湿热场下层间剪切强度模型。     

5405双马来酰亚胺树脂基复合材料湿热性能研究

５４０５双马来酰亚胺树脂是针对飞机主受力构件应用而研制的具有良好韧性、湿热性能和工艺性的基体。本文研究了该树脂浇铸体及其碳纤维复合材料有关热、湿方面的性能。结果表明，５４０５树脂吸湿率低，耐热性与５２４５Ｃ相当；Ｔ３００／５４０５复合材料在１３２℃热／湿条件下的弯曲强度及短梁剪切强度保持率达到ＴＭ６／５２４５Ｃ的水平，能保证飞机主受力构件在１３０℃下的使用。     

5405双马亚酰亚胺树脂基复合材料湿热性能研究

５４０５双马来酰亚胺地脂是针对飞机主受力构件应用而研制的具有良好韧性、湿热性能和工艺性的基体。本文研究了该树脂浇铸体及其碳纤维复合材料有关热、湿方面的性能，结果表明，５４０５树脂吸湿率低，耐热性与５３４５℃相当；Ｔ３００／５４０５复合材料在１３２℃热／湿条件下的弯曲强度及短梁剪切强度保持率达到ＩＭ６／５２４５℃的水平，能保证飞机主受力构件在１３０℃下的使用。     

湿热环境下复合材料含孔层合板静力拉伸性能及工程估算模型

湿热环境下的复合材料结构件力学性能预测对其工程应用具有重要意义。文中针对复合材料层合板静力拉伸性能和强度预测问题,开展6种湿热环境下复合材料含孔层合板的静力拉伸试验,分析其结构失效响应及损伤表征。基于应力场强法建立湿热环境下复合材料含孔层合板工程估算模型,与有限元渐进损伤模型和试验结果进行对比,分析了湿热环境对含孔层合板力学性能和拉伸失效的影响。结果表明,工程估算模型预测结果与有限元及试验结果误差范围较小,可用于预测温度和吸湿率对含孔层合板拉伸失效强度的影响;相比于室温干态,75℃吸湿饱和态下试件拉伸失效强度下降了6.1%;25℃干态和75℃吸湿饱和态下含孔层合板0°铺层出现最为严重的纤维拉伸失效,90°铺层出现最为严重的基体拉伸失效,纤维拉伸失效和基体拉伸失效为层合板主要破坏模式;通过扫描电镜对75℃吸湿饱和态下层合板厚度方向微观形貌进行分析,发现试件0°方向纤维与树脂的脱粘程度加重且出现明显的裂痕,90°方向纤维分布较为齐整,但黏附的树脂较少。     

全湿热场下碳纤维/环氧树脂复合材料弯曲性能及寿命预测

以碳纤维/环氧树脂（T700/TR1219B）复合材料为研究对象,采用湿度场和温度场单一及耦合的方式,研究了不同湿热环境下其弯曲性能的变化,通过断口形貌和表面粗糙度表征,分析其湿热损伤机制。结果表明:T700/TR1219B复合材料的弯曲性能受湿度场和温度场影响明显,当吸湿率达到2%时,弯曲强度从干态的1 440.60 MPa下降到1 081.07 MPa;随温度的升高弯曲性能呈下降趋势,且在玻璃化转变温度T_g所在温度区间发生陡降,当环境温度为180℃时,弯曲模量和弯曲强度分别下降了71.18%和93.32%;高温高湿环境下弯曲性能陡降的温度区间前移,且性能衰减并非单一湿度场和温度场下衰减量的简单叠加。通过微观形貌分析发现,湿度场主要导致树脂水解脱黏,温度场下树脂形态破坏严重,而湿热耦合场对纤维与树脂均产生较大程度的损伤。考虑湿度场和温度及湿热耦合相关项,建立并验证了全湿热场下剩余弯曲强度模型,结合湿热老化时间、环境当量等参数提出T700/TR1219B复合材料的寿命预测模型。      

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.     

Effect of temperature and cyclic hygrothermal aging on the interlaminar shear strength of carbon fiber/bismaleimide (BMI) composite

In this research, hygrothermal aging behaviors of carbon fiber/bismaleimide (BMI) composite materials were investigated. Water diffusivity was measured through 3 wet–dry cycles for BMI resin reinforced with unidirectional carbon fiber CCF300/QY9511 composite. The changes of the diffusion coefficient and saturation level of water absorption during the 3 cycles were determined. Electron microscopy revealed that micro-cracks near the weak interface together with the de-bonding provided routes for water uptake. The interlaminar property of composite was characterized by interlaminar shear strength (ILSS). ILSS reduction of CCF300/QY9511 from hygrothermal aging could come to a plateau during the first 14 days. The different damage morphologies between dry specimens and wet specimens were characterized by electron microscopy. ILSS under different test temperatures was also studied with an Arrhenius method, and the result of the Arrhenius method confirmed that routes, such as micro-cracks and de-bonding, for water uptake were also instrumental in speeding up the drying.     

湿热环境下Carbon/Epoxy复合材料层合板动态压缩性能

随着纤维增强复合材料的广泛应用, 研究其在湿热环境下的动态力学性能具有重要的理论研究意义与工程应用价值。首先对碳纤维增强环氧树脂基(Carbon/Epoxy)复合材料层合板试件进行了湿热处理, 其后采用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术开展了干/湿态试件高应变率压缩实验并对实验结果进行分析。结果表明: 材料脱(吸)湿过程呈现出两段式特点, 存在二次脱(吸)水现象; Carbon/Epoxy复合材料层合板的强度在垂直铺层方向具有显著的应变率敏感性, 随着应变率从1 500 s-1增加至6 000 s-1, 其强度增加近3倍, 与此同时应变率对其弹性模量的影响却非常微弱; 此外, 湿热处理有助于提升该材料的动态力学性能, 经20 d吸湿后材料动态强度有最大12.45%的增幅, 吸湿使得材料动态强度的上升在应变率较低时比较明显。      

碳纤维缠绕复合材料NOL环的吸湿过程与性能关系

以碳纤维缠绕复合材料NOL环为研究对象,建立了一种研究碳纤维缠绕复合材料的壳体或压力容器在存贮和使用过程中湿热性能的加速老化方法。将复合材料NOL环分别浸泡在35℃、55℃、65℃和75℃蒸馏水中,研究其吸湿特性、动态力学性能以及静态力学性能的变化。结果表明,根据NOL环的吸湿特性,其吸湿过程可分为3个阶段：固有自由体积控制扩散吸湿阶段;分子链松弛控制吸湿阶段;界面破坏及裂纹扩展控制吸湿阶段。当湿含量达到1wt%左右时,复合材料进入界面破坏吸湿阶段,性能明显下降,剪切强度和弯曲强度保留率约为75%和67%,Tg下降了20℃。该结果可为碳纤维缠绕复合材料壳体或压力容器的存贮寿命的预测与评价提供重要依据。     

氧化石墨烯改性碳纤维/环氧树脂复合材料的湿热性能及微观形貌

采用湿法预浸技术和模压工艺制备了氧化石墨烯(GO)改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料,研究了 GO在室温干态及湿热处理后对CF/EP复合材料动态热力学性能和层间剪切性能的影响,并通过微观形貌分析了复合材料的改性机制.结果表明,当GO添加量分别为0.5％和0.8％时,GO-CF/EP复合材料的玻璃化转变温度(Tg...     

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%。