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1、碳纤维增强环氧树脂复合材料在水中老化后的力学性能与破坏机理?马婷婷,白树林,罗瑞盈?北京大学工学院,力学与空天技术系,北京?北京航空航天大学理学院,物理系,北京?仪?摘要对破纤维增强环氧树脂复合材料在经过水中老化后 的 力学性能和破坏机理进行了研究。完成了三组拉伸试件?“,土?“,含中心孔?。通过使用扫描电镜?观刚了试样的破坏断口,分析了这种复合材料老化后 力学性能的 变化规律。结 果表明,老化后基体变软,纤维和基体之间的私合作用 变弱,使得复合材料的力学性能降低。关键词破纤维环氧树脂复合材料力学性能水中老化破坏机理?引言碳纤维增强复合材料具有很多优良胜质,例如高强度、耐腐蚀。基于这些特性,碳
2、纤维复合材料被广泛应用于耐高温结构,例如航天飞机和赛车的制动系统、火箭尾喷管等。复合材料在实际应用中会受到各种各样因素的单独或共同作用,其中最主要的是承受载荷和环境因素的影响。特别是,湿度对复合材料的影响尤为重要,因为大气中的湿度是不可忽略的。?澎?等人研究了吸收水分对尼龙纤维增强环氧树脂复合材料拉伸疲劳力学行为的影响,发现吸收水分弱化了纤维基体界面强度,并且引起基体内充水,导致静态拉伸强度和疲劳强度降低。其他作者,一?在研究碳纤维增强复合材料老化问题时,也发现吸收水分使环氧树脂基体材料的性能降低,从而导致复合材料的性能降低。?和?比较了碳纤维增强环氧树脂复合材料和掺人?,粒子后在?和?下 的
3、吸湿行为。不同尺度 的?粒子使得材料的吸湿性能受到影响,从而改善吸收水分降低层间剪切强度。在?和?的实验中,由不同的纤维?碳纤维、玻璃纤维和聚醋纤维?增强的环氧树脂复合材料被浸在?和?的海水中,所有试件的质量增加,等效弯曲模量降低,弯曲损失因子升高,碳纤维增强材料受到的影响最小。?和?仁?还将一些纤维增强的环氧树脂和聚醚醚酮暴露在蒸汽中。结果表明,蒸汽导致的破坏程度与基体的种类有关。?说而?和?测试了碳纤维环氧树脂复合材料开口试件的静态和疲劳性能,电镜照片描述了疲劳断口比静态断口呈现更多的碎片,疲劳破坏后裂纹尖端比静态破坏的更圆滑。本文研究了碳纤维增强环氧树脂复合材料在?水中老化?刃?后的力学
4、性能和破坏机理。通过拉伸实验和显微观测,揭示了老化对力学行为的影响机理。?实验过程?老化试验本研究的材料为竹?复合材料。复合材料制件在使用环境条件下,通常在?一?或更长一些时间达到最大吸湿量。在使用环境中,复合材料既有吸湿过程,又存在脱湿条件和过程,要达到饱和吸湿量是很困难的。因此,实验中采取了加速老化技术。但是,当通过浸泡来积累老化过程时,温度必须保持在低于树脂玻璃转变温度以避免不可逆转的破坏?膨胀和断裂?,这种破坏将改变材料的吸湿性能。试件在投放加速老化试验环境之前均进行工程干态处理,即试件经?烘干处理达到脱湿速率稳定在?本项 目得到北京大学工程研究院的赞助。?每天质量损失不大于?。然后在
5、?,?环境下和周期?、?、?侧?、?!?、?洲?、?减?条件下进行加速老化试验。最后测定老化后试样的质量。加速老化试验设备为?天津三环公司产电热恒温水浴箱,常熟衡器公司产?电子分析天平和重庆试验设备厂产的?一?电脑控制湿热箱。?力学性能试验和显微观测试样在老化后,利用?仆?试验机进行了常温拉伸试验,具体试验内容见表?。试验后,取断口试样,然后在?一?扫描电镜下进行断口观测。衰?复合材料层压板加速老化后试脸项目和方法试验项 目数?试验标准如。拉伸?组?根?一?土?拉伸?组?根?一名?开孔拉伸?组?根?!?一?实验结果?吸湿?试验结果试样浸泡到?时刻的吸水率巩用下式计算,即巩二叽收?一叽始叽始?式
6、中叽。为试样工程干态后质量?毗?为试样在水中浸泡到?时刻的质量。根据数据结果绘出吸湿曲线,见图?。试样经过浸泡?!?后,其质量基本不再发生变化,说明试样 中的水分已趋于饱和。炙沃?比?以洲?图?竹的?!?复合材料?侧洲?吸湿曲线?力学性能试验结果?,?拉伸实验结果图?给出?“拉伸应力一应变关系。拉伸行为呈直线直至断裂,不同老化时间的斜率稍有差别。从图?可以看出拉伸模量在很小的范围内波动。图?的结果表明,随着老化时间的增长,拉伸强度的平均值呈下降趋势,与原始的拉伸强度值相比,?叉?,?戊旧?,?旧?,?侧?老化材料的拉伸强度的平均值分别下降了?,?,?,?。由于纤维方向与载荷方向垂直,在破坏过程
7、中主要是纤维与基体的界面脱勃,而纤维并没有被破坏,材料的破坏行为主要由界面决定。?骊厂。匕二乙二匕兰竺?进减岁叫曰麟沪蟹?屏犷一橄创理产,州?凡?气?芝?只侧母渊?不?洲?刃?应变老化时间爪图?不同老化时间的横向拉伸应力一应变曲线图?拉伸模量随老化时间的变化规律?土?。拉伸实验结果试件中的纤维方向与拉伸载荷方向成土?。角,破坏过程中,纤维承受部分载荷,在剪切载荷作用下纤维与基体界面脱乳,纤维被拔出。图?中的强度明显高于图?中的结果,而且,老化对土?“试样的影响比?试样小。但是,土?“试样的剪切模量随着老化时间的增加显著下降?见图?、与老化?减?的试件的剪切模量相比,?侧叉?,?以?,?刃?的试
8、样的剪切模量分别下降了?,?,?。这可能是由于界面的弱化程度加强,而且界面对于剪切载荷很敏感,因此导致剪切模量的急剧降低。?伽?己勤侧麟称易?蓬侧母麟壕?!?老化时间几?!?老化时间瓜图?拉伸强度随老化时间的变化规律图?土?“拉伸剪切强度随老化时间的变化规律?开口拉伸买验结果开口拉伸实验的试样是中心含有一个穿透厚度圆孔?孔直径为?的复合材料板。老化之后进行单向拉伸实验。由实验数据?见图?可以看出,复合材料经过老化后,整体上拉伸强度呈轻微的上升趋势,提高幅度低于?。由于碳纤维在老化过程中几乎没有性能的降低,而且纤维起到承受载荷的主要作用,因此老化对单向复合材料沿纤维方向强度的影响可以忽略不计。但
9、是,由于基体吸收水分软化 削弱了孔周围的应力集 中,从而稍微提高了复合材料的拉伸强度。?闷一?!?以】老化时间爪图?土?“拉伸剪切模量随老化时间的变化规律?老化时间爪开孔拉伸强度随老化时间的变化规律?!?!?!?!?!?!?即?乏侧哪母诵八?尸、?八?尸、?叹“?几?,?己?娜叫称易?破坏机制的微观观测?拉伸从扫描电镜观测断口的照片?见图?可以看出,干燥试件的断口表面呈现出显著的参差不齐,有大量基体碎片,几乎没有脱离基体的纤维,而经过老化过程的试件的断口,随着时间的增长,断口趋于整齐,特别是?以?老化后的试件,几乎没有基体的碎片,而且可以观察到外表光滑的纤维。这些结果表明?随着试件在水中老化时
10、间的增长,基体和纤维之间的猫合作用变弱,基体变软,导致复合材料的力学性能降低。老化?老化?以洲?老化?洲?老化?老化?老化?侧犯?图?“拉伸试样断口形貌?出?。拉伸与?“拉伸的情况相同,从电镜观测断口的照片?见 图?可以看出,干燥试件的断口表面呈现出显著的参差不齐,纤维表面猫合着基体碎片,随着老化过程时间的增长,断口趋于整齐,完整?纤 维表面趋于光滑,并且从基体中拔出。这些结果表明?在水中老化使基体变软,使界面弱化,从而导致纤维从基体中拔出。420曰.曰口.日.老化o h老化100 0h老化2 00(比-.曰.闷.日.老化30(洲)h老化40 00h老化50(用h图9土45 0拉伸试样断口形貌
11、3结论水中老化过程对于碳纤维增强环氧树脂复合材料的影响在于:碳纤维本身的吸水能力很低,水分主要扩散到基体中。此外,纤维/基体的界面弱化是导致复合材料剪切性能降低的主要原因。由于基体吸收水分变软,基体和纤维之间的猫合作用减弱,导致碳纤维增强环氧树脂复合材料力学性能的劣化。研究还发现老化对于含孔洞材料的的性能影响不大。参考文献34KOM AI,K,MI NOSHI MAK,T ANAK AK,eta l.Ef f eet sO fst r e sswavef o而 a ndwa t era bsor p t ion ont hef a t i,e s比ng t hO fa n-g le一plya
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