湿热环境下孔隙对CFRP力学性能的影响研究

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碳纤维/树脂基复合材料以优异的性能在航空航天领域有着广泛的应用,但是其在储存和使用过程中要经受多种环境因素的影响,湿热环境是经常遇到的环境因素之一,导致复合材料力学性能下降。而由于复合材料特殊的成型工艺,其内部不可避免的产生孔隙缺陷,它对复合材料的力学性能存在不利影响。在孔隙缺陷存在的条件下,湿热环境对复合材料力学性能的影响更为严重。因此,研究湿热环境下孔隙对复合材料的影响具有重要意义。采用热压罐成型工艺制备碳纤维/环氧复合材料层压板,设置不同的固化压力0.4、0.2和0.0MPa,得到的孔隙率范围为0.33~2%。采用超声A扫描和金相显微镜分析孔隙率、孔隙形貌、分布和尺寸等特征;根据HB7401-96进行湿热环境试验,进行静态力学性能测试包括拉伸性能、压缩性能、弯曲性能和层间剪切性能。研究结果表明:孔隙率从0.33%增大到2%,孔隙的尺寸由圆球形增大为拉长形,而且会沿层间发展,长宽比集中在1.54~3.34之间。吸湿饱和后,出现层间裂纹,裂纹会由孔隙处引发并扩展。层压板吸湿初始阶段遵循M i与t 12的线性关系。吸湿后期偏离线性关系。饱和吸湿量和扩散系数都随着孔隙率的增加而增加,吸湿到达饱和的时间随孔隙率的增加变化不明显,试样尺寸影响平衡吸湿量和扩散系数。拉伸强度和拉伸模量随吸湿时间的延长呈现起伏状变化,最终下降,弯曲、压缩和层间剪切性能呈现下降趋势。随孔隙率增加,拉伸强度下降了6.5%、2.5%和1.2%,吸湿饱和后拉伸模量基本上无变化;吸湿饱和后压缩强度下降了14.6%和20.5%;弯曲强度下降了13.3%和18.7%;层间剪切强度下降了19.7%、27.4%和35.2%。吸湿前后层压板拉伸、压缩、弯曲和层间剪切损伤形式变化影响不大,随着孔隙率的增加,损伤变得严重。随孔隙率从0.33%增加到2%,脱湿后拉伸强度恢复程度变小,压缩、弯曲和层间剪切强度恢复程度减少,均未恢复至室温时的强度。
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