湿热老化对碳纤维复合材料界面及抗冲击性能影响研究

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1、中图分类号：V258+.3论文编号：102870218-S001学科分类号：080203硕士学位论文湿热老化对碳纤维复合材料界面及抗冲击性能影响研究研究生姓名双超学科、专业机械设计及理论研究方向机械结构断裂与疲劳损伤指导教师关玉璞教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringEffectofHygrothermalAgingonInterfaceProperti

2、esandImpactResistanceofCarbonFiberCompositeMaterialAThesisinMechanicalDesignandTheorybyShuangChaoAdvisedbyProf.GuanYupuSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2017承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表

3、或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：__________日期：__________南京航空航天大学硕士学位论文摘要碳纤维复合材料因其高比强度、耐腐蚀、抗疲劳性能好、材料的可设计性和优良的抗冲击性能，在发动机冷端部件（外涵机匣）以及飞机蒙皮、机翼上得到了广泛应用。飞机在服役期间会受到环境载荷的干扰，复合材料层合板的层间界面结合力较

4、低，对长时间作用的湿热因素较为敏感，导致界面损伤及力学性能变化，对复合材料的抗冲击性能产生影响。本文结合试验手段开展了以下三方面的研究：（1）对T700/TDE-86复合材料参照飞机复合材料循环湿热老化谱进行了循环湿热老化试验，得到吸湿曲线并分析其吸湿机理，通过扫描电子显微镜对不同老化时间的试件进行观察，讨论不同循环湿热老化时长对复合材料表面、纤维/基体界面和层间界面的影响。研究结果表明：T700/TDE-86复合材料吸湿过程分为三个阶段，吸湿变化符合Fick第二扩散定律，在140天左右达到饱和吸湿率，饱和吸湿率为1.256%；随着老化时间的增长，基体表面形成

5、龟裂纹，基体与纤维之间产生剪应力，引起纤维/基体界面的脱粘，基体溶胀导致层间界面脱粘。（2）对不同老化时间的T700/TDE-86复合材料的进行层间剪切强度、Ⅰ型和Ⅱ型的层间断裂韧性试验得到其随老化周期的变化规律，以及不同老化时间下复合材料的失效模式的改变。研究结果表明：Ⅰ型和Ⅱ型的层间断裂韧性试件端部的预制裂纹在溶胀应力的作用下，向外开始发生屈曲；T700/TDE-86复合材料层间剪切强度先上升后下降，老化280天后层间剪切强度保留率为82.16%；Ⅰ型层间断裂韧性因为纤维桥接随着老化时间增长而上升，老化280天后，保留率为145.9%；Ⅱ型层间断裂韧性释放

6、率随老化时间的变化是一个下降的过程，老化280天后，保留率为61.34%。（3）对不同老化时间的T700/TDE-86复合材料试件进行弹道冲击试验，每种老化周期下得到一次反弹状态和三次不同速度下的击穿状态，对弹道极限速度受循环湿热老化的影响进行了分析；观察冲击过后试件的损伤断口，分析不同状态、不同冲击速度和不同循环湿热老化时长对复合材料的失效模式的影响；对冲击后的复合材料进行超声C扫描试验，分析了损伤面积变化趋势；研究结果表明老化280天后的复合材料的弹道极限上升了11.5%，断口失效模式以及其导致的损伤面积也会随着老化时间和弹体的冲击速度而变化。研究循环湿热

7、老化条件下复合材料结构的抗冲击性能对飞机的结构完整性具有重要意义。关键词：碳纤维复合材料，循环湿热老化，层间剪切强度，层间断裂韧性，高速冲击I湿热老化对碳纤维复合材料界面及抗冲击性能影响研究ABSTRACTCarbonfiberreinforcedplastics(CFRP)waswidelyusedinaero-enginecold-endparts(outercasing)aswellastheaircraftskinandthewingduetoitshighspecificstrength,corrosionresistance,fatigueresi

8、stance,materialdesi