热氧老化对三维碳/玻璃纤维双马复合材料耐久性的影响

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碳/玻璃纤维树脂基复合材料不仅能够使两种纤维的力学性能优势互补,而且可以通过合理排布碳纤维与玻璃纤维的比例减少雷达波的反射,被作为一种结构-隐身一体化材料用于隐形战机上,而热氧环境导致的树脂基体性能和界面性能的下降会影响战机的使用寿命。本文旨在研究三向正交机织预制件和层合叠层两种不同增强体结构增强的碳/玻璃纤维双马复合材料在200℃和250℃下老化不同时间的性能变化规律及机理。热氧老化对三向正交碳/玻璃纤维/双马复合材料(三向正交复合材料)的隐身性能有积极影响。热氧老化过程中材料表面由于树脂基体的降解变得凹凸不平,增加了电磁波在表面的漫反射,减少了电磁波的反射。材料内部裂纹的扩展为电磁波在材料内部的传播提供了更多通路。因此,热氧老化对试样的隐身性能有积极影响。除此之外,由于Z向纱的电磁传输效应和三向正交结构的微波暗室效应协同作用,未老化的三向正交复合材料的电磁反射损耗低于层合碳/玻璃纤维/双马复合材料(层合复合材料)。热氧老化会导致纤维/基体界面性能的随着老化时间的延长不断下降。扫描电镜观测结果表明,纤维表面黏附的树脂量随着老化时间的延长而减少,且纤维之间出现较大空隙。横向纤维束拉伸试验结果表明,未老化试样的碳纤维/树脂基体界面强度高于玻璃纤维/树脂基体界面强度。老化后两者的界面强度都明显下降,且前者的界面强度小于后者。一方面,碳纤维与树脂基体的热膨胀系数相差更大,热氧老化过程中会在界面间产生更大的热应力,从而造成界面强度的急剧下降。另一方面,碳纤维表面的上浆剂在高温下易分解,会降低界面强度。热氧老化导致的树脂降解和界面性能的下降共同作用造成了复合材料的力学性能下降,而三向正交复合材料的性能保留率高于层合复合材料。这是因为层合复合材料在热氧老化过程中在层间产生了大量微裂纹,在受到外部载荷作用时,微裂纹容易沿着层间传播使其发生分层破坏,而三向正交复合材料有Z向纱线存在,裂纹沿着层间传播时会受到Z纱的阻挡,因此能在树脂和界面性能严重退化的情况下使所有纤维成为一个整体来抵抗外力。采用“改进型随机过程模型”对200℃下老化180天后的三向正交复合材料的弯曲强度数据进行了预测,预测误差小于10%,说明该模型具有较高的可靠性。本文包含图36张,表9个,参考文献126篇。
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