炭纤维增强环氧树脂基复合材料湿热残余应力的微raman 光谱测试表征

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1、炭纤维增强环氧树脂基复合材料湿热残余应力的微Raman光谱测试表征基金项目：国家自然科学基金资助项目（50773051）通讯作者：黄远，副教授，从事复合材料研究工作，Email：yi_huangyuan@tju.edu.cn。黄远*，何芳，万怡灶，王玉林，李刚，高智芳（天津大学材料科学与工程学院，天津市，300072）摘要：采用微Raman光谱仪对炭纤维增强环氧树脂复合材料CF/EP（纤维体积分数为30%）的湿热残余应力进行了研究。实验结果表明：湿热残余应力能够使炭纤维Raman光谱发生频移，根据频移可对纤维所受湿热残余

2、应力进行表征；选择合适的试验点是复合材料湿热残余应力Raman测试成功的关键；在湿热环境下长期吸湿，纤维所受轴向残余应力由吸湿前的热残余压应力转变成吸湿后的湿热残余拉应力；由吸湿后炭纤维所受湿热残余拉应力减去吸湿前热残余压应力获得的吸湿拉应力非常大，平均为2272MPa，接近所用炭纤维的拉伸强度（2800MPa）；适当的加工热残余压应力有利于降低吸湿导致的应力。关键词：炭纤维/环氧树脂复合材料；湿热残余应力；Raman光谱仪；测试；表征TestingandCharacterizationofHygrothermalStr

3、essesinCarbon-fibersReinforcedEpoxyCompositesusingRamanSpectroscopyHUANGYuan,HEFang,WANYizao,WANGYulin,LIGang,GAOZhifang(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Thehygrothermalstressesinthecompositewithfibervolumefrac

4、tionof30%wereinvestigatedbyusingmicroRamanSpectroscopy.TheresultsshowthattheRamanwavenumbershiftforcarbonfiberscanbecausedbythehygrothermalstresses,whichcanbeusedtocharacterizethehygrothermalstressinthefibers.Theselectionsofthetestedpointsappropriatelyarethekeyto

5、successinthehygrothermalstresstestwithRamanspectroscopyforthecomposites.Theresultsalsoshowthatduringthelong-termmoistureabsorptionprocess,theaxialresidualstresseswithinthefiberstransformfromthermalresidualcompressivestressesbeforeabsorptionintohygrothermaltensile

6、stressesafterabsorption.Theaxialstresseswithinthefibersinducedpurelybytheabsorptioncanbeobtainedbyusingthetensilestressesafterabsorptionminusthecompressivestressesbeforeabsorption,whichisratherhigh(2272MPaonaverage)andclosetothetensilestrengthof2800MPaofthecarbon

7、fibersusedinthispaper.Thesuitablethermalresidualstressescanreducethemoistureinducedstressestosomeextent.Keywords:Carbonfibers/Epoxycomposites;Hygrothermalstress;RamanSpectroscopy;Testing;Characterization炭纤维增强环氧树脂基复合材料在自然环境中使用或贮存时受湿热因素的影响显著-10-。研究表明，复合材料吸入的水分会对基体树

8、脂产生塑化或溶胀作用[1-4]。由于复合材料中的炭纤维基本不吸湿，则吸湿的树脂与不吸湿的纤维之间存在着湿膨胀即溶胀量的明显差异。基体的极性越高，吸湿量越大，纤维与基体湿膨胀间的不匹配性就越明显。这种不匹配必然在基体与纤维界面上产生内应力[1,5,6]；同时，复合材料吸水后，水分在基体中的分布并不均匀，基体各部位水分含