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1、76碳纤维复合材料湿热性能研究进展2009年5月碳纤维复合材料湿热性能研究进展1,211吕新颖,江龙,闫亮(1.哈尔滨工业大学,哈尔滨150001;2.东北林业大学,哈尔滨150040)摘要:对于碳纤维增强树脂基复合材料,湿热环境条件对其力学性能的影响非常明显,可导致其强度和刚度下降。在研究了国内外关于碳纤维增强树脂基复合材料湿热老化性能的基础上,从理论模型和试验方法两方面分析了复合材料吸湿模型和扩散机理,结合实际需求对国内外关于碳纤维复合材料湿热性能的试验方法和测试手段进行了评价,认为目前湿热加速老化性能的研究具有一定的局限性,并提出了研究思路。关键词:碳纤维;复
2、合材料;湿热性能;扩散机理;加速老化;寿命预测中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1003-0999(2009)03-0076-051引言大分子结构间距增大,刚性基团的活性增加,基体发近10年来,湿热环境对碳纤维复合材料的影响生溶胀,进而产生增塑,水向基体的吸湿性扩散,由已有大量研究,近3年关于复合材料湿热性能的研此产生渗透压使基体内部产生裂纹、微小裂缝或其究呈明显上升趋势。关于其湿热老化的现有文献主他类型的形态变化,使吸湿量增加,水助长裂纹的扩[1~3]散,使基体破裂,基体水解导致断链和解交联,这对要是对吸水扩散模型的研究和湿热老化力学性[4~7
3、][8~10]材料的破坏是永久性的。研究复合材料的瞬间吸湿能及热性能的研究。复合材料应用于飞机结构不仅要承受复杂、长时间的疲劳载荷、意外冲行为和达到饱和状态时的吸湿量,建立复合材料吸湿模型和扩散机理归纳有以下几种:击载荷等作用,而且还要承受温度、湿度等严苛的外21费克定律(FickLaw)部环境因素的考验。随着飞机性能的不断提高,对[12][13]结构复合材料的性能要求也越来越高。同时,复合航天材料及工艺研究所和北京化工大学材料自身具有组分多元性、结构多重性、失效模式多等国内外诸多大学和研究机构的学者基于费克定律样性,这些特点使得复合材料性能演化分析十分复研究复合材
4、料的吸湿行为,试验结果如图1(a)所杂。对于树脂基结构复合材料,湿热环境条件对复示。试验结果表明,水分在树脂浇注料中的扩散符合材料力学性能的影响非常明显,可导致复合材料合Fick定律:在初始阶段,材料中的湿含量与吸湿的强度和刚度下降。特别是国产碳纤维复合材料湿时间的平方根成正比,最后吸湿量达到平衡,即饱热性能普遍低于进口T300碳纤维复合材料,而某些和。在复合材料中,虽然初始阶段材料的湿含量也树脂体系的国产碳纤维复合材料湿热性能又反常,与吸湿时间的平方根成正比,但在湿含量达到第一其内在本质与机理尚不清楚。这些问题的存在将严平台后,又出现了一个新的台阶,如图1(b)所示,
5、试重影响国产碳纤维复合材料的可靠应用,因此,实现验结果表明水分在复合材料中的扩散已偏离了Fick服役环境下国产碳纤维复合材料湿热性能的研究是促进其应用的重要保证和前提。2碳纤维复合材料吸湿扩散机理碳纤维增强树脂基复合材料的吸湿过程主要涉[11]及三个方面:水分子在树脂基体中的扩散,水分子沿纤维基体界面的毛细作用以及水在孔隙、微裂纹和界面脱粘等缺陷中的聚集。吸湿的水分使基体收稿日期:20080422本文作者还有王荣国和刘文博。基金项目:国家重大安全基础研究(61379)作者简介:吕新颖(1979),女,博士研究生,主要从事聚合物基复合材料研究。FRP/CM200
6、9No32009年第3期玻璃钢/复合材料77应力分布情况,精确计算出湿热环境下复合材料的层应力和纤维、树脂应力状态,但得到的数据并没有与影响复合材料宏观性能的力学参数联系起来,不能准确预报复合材料的损伤过程。图16405树脂浇注料和T300/5405复合材料的吸湿动力学曲线Fig.1Hygroscopickineticsof5405castingresinandT300/5405composite行为。因此费克定律不再适用于评价碳纤维增强树脂基复合材料的复杂吸湿行为。22自适应模型(SelfconsistantModel)[14]法国学者Z.Youssef
7、等人研究了湿热环境下复合材料的力学行为。对Kroner和Eshelby以力学为基础的自适应模型进行了改进,计算了纤维复合材料在湿热加速循环状态下的局部应力值,自适应模型主要是利用下面公式计算了局部应力和应变:II-1IIIL+L:R:L+L:R=f,m=I(1)II-1L+L:R:IIIL:T-L:T=0(2)23复合材料湿热加速循环周期模拟+L:C-LI:ICI[15]=f,m2005年,法国J.Jedidi等学者模拟了飞行器加速飞行环境。作者认为飞行器经历的湿热环境分LI=LII-1III+
