cfrp材料孔隙缺陷特征分布理论与实验研究

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1、硕硕硕士士士学学学位位位论论论文文文CFRP材料孔隙缺陷特征分布理论与实验研究THEORYANDEXPERIMENTRESEARCHONVOIDDISTRIBUTIONCHARACTERSOFCFRPMATERIAL陈陈陈栋栋栋康康康康康康哈哈哈尔尔尔滨滨滨工工工业业业大大大学学学2015年年年12月月月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工工工学学学硕硕硕士士士学学学位位位论论论文文文CFRP材料孔隙缺陷特征分布理论与实验研究硕士研究生：陈栋康康导师：张化宇教

2、授申请学位：工学硕士学科：材料学所在单位：深圳研究生院答辩日期：2015年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB332U.D.C:620DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHEORYANDEXPERIMENTRESEARCHONVOIDDISTRIBUTIONCHARACTERSOFCFRPMATERIALCandidate:ChenDongkangkangSupervisor:Prof.ZhangHuayuAcadem

3、icDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MaterialsScienceAffiliation:ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence:December,2015Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要CFRP复合材料由于具有许多非常优异的性能，在大型飞行器设计和制造中受到了广泛的重视，在航空航天飞机及其构件中的应

4、用和所占的比重也相当可观。然而，复合材料构件自身的结构和组织形成原理导致碳纤维增强树脂基复合材料在制造和使用过程中会产生诸如孔隙、分层等缺陷，这些缺陷在承载和服役过程中，随着周围环境的改变也会相应发生扩展和转移。这对于大型飞机的使用和服役过程是一个巨大的安全隐患。高精度和高效率的无损检测与多维准确表征系统便是当务之急。然而，大尺寸复合材料构件制造缺陷和损伤的感知和表征极其困难，也对目前常规的无损检测方法造成了很大的困难。要想准确及高效地检测CFRP复合材料构件中的缺陷和分层，除了研究多尺度缺陷和损伤的高

5、效无损检测原来和表征方法之外，还有一个十分重要的方面便是深入研究分析复合材料中缺陷和损伤的产生机理与扩展行为，并科学评价缺陷和损伤对各项性能的影响。本文利用统计、计算和模拟碳纤维增强树脂基复合材料在固化过程中各个参数变化的质变和量变过程，得到复合材料在制备过程中的固化温度、固化压强、固化率、粘度、表面张力/界面能、饱和溶解度等直接影响固化过程和气孔形成和生长的各个参数随着固化反应进行而产生的质变曲线和量变方程式。得到了固化过程中气泡的临界形核尺寸变化规律：随着溶解度下降和扩散反应加剧，气泡的临界形核尺寸

6、呈上升趋势，气泡的形核最小形核尺寸为8m；也得到了气泡临界生长尺寸公式，公式中R∗与P基本上呈反比关系。气泡通过生长可以达到的最大尺寸为23m，加压之后气孔半径缩小到4m左右。固化过程中单个气泡的生长过程为：9min时气泡开始形核，从10min开始，气孔以一定速率成长并最终达到稳定。此外，本文通过CT法研究不同尺寸孔隙的数量发现：射线CT法得到的孔隙沿着纤维方向在树脂内部分布，1m分辨率条件下，材料中碳纤维成分占66.79vol.%，树脂成分占32.08vol.%，孔隙成分占1.13vol.%；

7、7m分辨率条件下，射线CT法得到数据显示碳纤维成分占67.08vol.%，树脂成分占32.79vol.%，孔隙成分占0.84vol.%。与1m孔隙率1.13vol.%相比，7m的孔隙率略小。研究得到不同尺寸孔隙数量呈幂指数规律分布，越小的气孔数量越多。通过本课题的研究，可以为碳纤维增强树脂基复合材料的微观、细观和宏观表征技术提供借鉴，获得复合材料制备过程中造成缺陷和损伤的产生机理和-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文扩展行为数据。这对于以后研究多尺度复合材料典型缺陷损伤，开展大型复合材料制造缺陷和

8、损伤研究，确定缺陷损伤的物理和几何表现形式等具有重要意义。为航空航天飞机中大型复合材料构件缺陷和损伤的高精度高效率无损检测原理和方法的研究奠定了一定的基础。关键词：CFRP复合材料；孔隙率；固化反应；特征分布；工业CT-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractTheexcellentpropertiesincarbonfiberreinforcedpolymercompositemakeitre-ceivewidespreadat