碳纖維復(fù)合材料濕熱性能研究進(jìn)展[j]

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1、碳纖維復(fù)合材料濕熱性能研究進(jìn)展呂新穎1,2，江龍1，閆亮1，王榮國1，劉文博1（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江哈爾濱150001；2.東北林業(yè)大學(xué)黑龍江哈爾濱150040）摘要：對于碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，濕熱環(huán)境條件對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響非常明顯，可導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度下降。在研究了國內(nèi)外關(guān)于碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料濕熱老化性能的基礎(chǔ)上，從理論模型和試驗(yàn)方法兩方面分析了復(fù)合材料吸濕模型和擴(kuò)散機(jī)理，結(jié)合實(shí)際需求對國內(nèi)外關(guān)于碳纖維復(fù)合材料濕熱性能的試驗(yàn)方法和測試手段進(jìn)行了評價(jià)，認(rèn)為目前濕熱加速老化

2、性能的研究具有一定的局限性，并提出了下一步研究思路。關(guān)鍵詞：碳纖維；復(fù)合材料；濕熱性能；擴(kuò)散機(jī)理；加速老化；壽命預(yù)測中圖分類號(hào):HydrothermalpropertiesofcarbonfiberreinforcedplasticsLVXin-ying1,2,JIANGLong1,WANGRong-guo1,LIUWen-bo1(1.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;2.NortheastForestryUniversity,Harbi

3、n150040,China)Abstract:Thispaperpresentsthesudiesofthehydrothermalpropertiesofcarbonfiberreinforcedplastics(CFRP)andanalyzesthemoisuremodelanddiffusionmechanismthroughtheoryandexperience.Meanwhile,thepapersummarizestheexperiencemethodsandtestingmeanso

4、fCFRP’shydrothermalpropertiesathomeandabroad.Finally,thestatusofacceleratedagingenvironmentofCFRPispointdoutandsomerecommendationsforfutureworkareproposed.Keywords:Carbonfiber;composites;hydrothermalproperties;diffusionmechanism;acceleratedaging;lifep

5、rediction碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)的高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好、性能可設(shè)計(jì)性等優(yōu)勢已被世人所共識(shí)[1]，逐步成為先進(jìn)國防裝備的首選材料。但眾所周知，樹脂基體具有一定的極性，在濕熱的環(huán)境中容易吸濕[2]，吸入的水分對基體的塑化和溶脹作用以及因樹脂與纖維濕、熱膨脹系數(shù)的不匹配所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力引起的微裂紋，使復(fù)合材料性能急劇下降。世界各國對復(fù)合材料濕熱環(huán)境下的力學(xué)、物理行為都給予了很大重視，并將復(fù)合材料濕熱環(huán)境下的力學(xué)性能作為衡量其耐久性和損傷容

6、限的參量予以考慮和研究[3]。近10年來，濕熱環(huán)境對碳纖維復(fù)合材料的影響已有大量研究，近兩年關(guān)于復(fù)合材料濕熱性能的研究呈明顯上升趨勢。關(guān)于其濕熱老化的現(xiàn)有文獻(xiàn)主要是對吸水?dāng)U散模型的研究[4]和濕熱老化力學(xué)性能[5,6]及熱性能[7-9]的研究。復(fù)合材料應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)不僅要承受復(fù)雜、長時(shí)的疲勞載荷、意外沖擊載荷等作用，而且還要承受溫度、濕度等嚴(yán)苛的外部環(huán)境因素的考驗(yàn)。隨著飛機(jī)性能的不斷提高，對結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能要求也越來越高。同時(shí)，復(fù)合材料自身具有組分多元性、結(jié)構(gòu)多重性、失效模式多樣性，這些特點(diǎn)使得

7、復(fù)合材料性能演化分析十分復(fù)雜。對于樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，濕熱環(huán)境條件對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響非常明顯，可導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度下降。特別是國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料濕熱性能普遍低于進(jìn)口T300碳纖維復(fù)合材料，而某些樹脂體系的國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料濕熱性能又反常，其內(nèi)在本質(zhì)與機(jī)理尚不清楚。這些問題的存在將嚴(yán)重影響國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的可靠應(yīng)用，因此，實(shí)現(xiàn)服役環(huán)境下國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料濕熱性能的研究是促進(jìn)其應(yīng)用的重要保證和前提。1.碳纖維復(fù)合材料吸濕擴(kuò)散機(jī)理碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的吸濕過程主要涉及三個(gè)方面[10]：

8、水分子在樹脂基體中的擴(kuò)散，水分子沿纖維基體界面的毛細(xì)作用以及水在孔隙、微裂紋和界面脫粘等缺陷中的聚集。吸濕的水分使基體大分子結(jié)構(gòu)間距增大，剛性基團(tuán)的活性增加，基體發(fā)生溶脹，進(jìn)而產(chǎn)生增塑，水向基體的吸濕性擴(kuò)散，由此產(chǎn)生滲透壓使基體內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、微小裂縫或其他類型的形態(tài)變化,使吸濕量增加，水助長裂紋的擴(kuò)散，使基體破裂，基體水解導(dǎo)致斷鏈和解交聯(lián)，這對材料的破壞是永久性的[11,12]。研究復(fù)合材料的瞬間吸濕行為和達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的吸濕量，建立復(fù)合材料吸濕模型和擴(kuò)散機(jī)理歸納有以下幾種：1.1