湿热环境下聚酰亚胺复合材料的拉脱性能研究

复合材料结构已被广泛应用于航空航天领域,为了研究复合材料在不同湿热环境下的力学性能,分别对低温干态（CTD）、室温干态（RTD）和高温湿态（ETW）三种环境下的某型聚酰亚胺复合材料层压板进行拉脱试验,并对RTD 试验过程进行仿真分析;通过试验获得两类典型铺层的拉脱强度与破坏模式,并利用有限元仿真预测失效载荷。结果表明：某型聚酰亚胺复合材料具有优异的热稳定性,CTD 环境下复合材料的拉脱强度较RTD 环境下的拉脱强度提升8.1%~9.0%,ETW 环境下某型聚酰亚胺复合材料的拉脱强度与RTD 环境下的拉脱强度相当;（30/60/10）铺层的拉脱强度略高于（50/40/10）铺层。     

湿热环境下复合材料层压板强度性能研究

在多种湿热环境下对两种环氧树脂基复合材料层压板的开孔压缩、层间剪切及三曲强度性能进行了对比研究。试验结果表明，在室温（RT）条件下，复合材料吸湿量大小对其强度性能影响较小，但在高温湿综合环境下，复合材料层压板的强度性能明显下降。     

复合材料层压板冲击后压缩剩余强度的统计分析与可靠性评估

通过对T300/5405复合材料层压板的冲击后压缩强度试验数据的统计分析,指出冲击后压缩剩余强度符合Weibull分布。在此基础上,通过引入冲击威胁的概念,对T300/5405复合材料层压板进行了冲击损伤容限可靠性分析。研究表明,通过在可靠性分析中引入了冲击威胁的概念,可以较充分地发挥复合材料层压板的损伤容限性能。     

非连续湿热作用对T700/TR1219B复合材料宏细观性能的影响

为研究非连续湿热作用对碳纤维环氧树脂基复合材料性能的影响,对T700/TR1219B试样进行了吸湿-脱湿试验,测试了其拉神性能,并采用SEM观察试样侧面;通过原子力显微镜的峰值力纳米力学成像技术(PF-QNM)对树脂进行纳米压痕测试。结果表明:吸湿率从0变化到1.2%,T700/TR1219B复合材料的一次及二次吸湿行为均满足Fick定律;经吸湿-脱湿-再吸湿,试样的拉伸强度、弹性模量及树脂的硬度及弹性模量均呈现先上升后下降的变化趋势。     

HS40碳纤维/氰酸酯树脂复合材料的湿热行为

通过对低温固化HS40碳纤维/氰酸酯树脂复合材料进行不同湿热环境处理以及3次循环吸湿-脱湿处理,研究其湿热行为。结果表明:复合材料在70℃水浸以及70℃/95%RH两种环境吸湿31 d饱和吸湿率分别为0.71%和0.11%,说明该低温固化氰酸酯树脂基复合材料有很好的耐湿热性;研究复合材料的循环吸湿-脱湿行为,发现复合材料在70℃水浴锅中第1次水浸10 d的吸湿率为0.69%,尚未达到饱和,而第2、3次水浸10 d后的吸湿率分别提高到0.72%和0.74%;复合材料的层间剪切强度随着循环次数的增加,降低更为明显,经过3次循环吸湿-脱湿之后试样的层间剪切强度较干态试样降低了50.77%,连续吸水60 d的试样层间剪切强度较干态试样降低了58.98%。     

二维机织树脂基复合材料湿热性能研究

实验研究了不同铺层厚度的二维机织玻璃纤维织物/环氧胶膜基体复合材料层压板室温和湿热环境下的开孔拉伸和弯曲性能.结果表明,材料弯曲强度具有尺寸效应,弯曲强度随试样铺层厚度增加基本上线性下降,下降率为5.2%/mm;材料平衡吸湿量平均为2.2%,吸湿后基体性能发生退化,退化程度与试样厚度有关.材料达到平衡吸湿后70 ℃,相对湿度85%的湿热环境下,弯曲强度下降严重,其强度保有率平均为31.7%;开孔拉伸强度保有率随试样厚度线性增加,增加率为4.2%/mm,强度保有率平均为70.0%.     

冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板典型力学性能的影响

采用CYCOM 7701/7781玻纤环氧织物预浸料和中温固化工艺制造复合材料单向层压板试件。将试件分为三组,分别在低温干态(cold temperature dry,CTD)、室温干态(room temperature dry,RTD)和高温湿态(elevated temperature wet,ETW)三种温度和试件吸湿情况下,测试复合材料单向层压板的无缺口拉伸强度、开孔拉伸强度、无缺口压缩强度、开孔压缩强度和冲击后压缩强度,研究冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781复合材料单向层压板典型力学性能的影响。结果表明:在CTD、RTD和ETW三种环境下,开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板平均拉伸强度均有十分不利的影响,拉伸强度下降约50%;开孔明显地降低了复合材料层压板的拉伸强度的变异系数;在CTD和RTD情况下,冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板平均压缩强度均有十分不利的影响,两种情况的影响比较接近,均下降45%~55%;在ETW环境下开孔使压缩强度下降约为50%,冲击损伤使压缩强度下降30%左右,表明开孔对压缩强度的影响比冲击损伤更为显著。     

国产T800级碳纤维/环氧树脂复合材料湿热性能

采用扫描电镜、红外图谱分析三种国产T800级碳纤维的物理形貌以及表面上浆剂的化学结构。针对三种国产T800级碳纤维(CCF800)/环氧树脂复合材料在湿热环境下的吸湿行为,研究经不同时间湿热和高温环境下处理后的层间剪切性能,并通过扫描电镜观察湿热处理后的复合材料界面结合状态。结果表明:三种国产T800级碳纤维表面物理形貌相同,而表面化学结构存在一定差异;三种碳纤维环氧复合材料的"饱和"吸湿周期相同,约为54 d,95%饱和吸湿周期也相同,约为30 d;而饱和吸湿量存在明显差异,其中3号纤维上浆剂中由于羟基含量最高,导致其环氧树脂基复合材料吸湿率最高,在高温高湿作用下,层间剪切强度下降最为明显。     

湿热谱老化对复合材料层压板强度的影响

通过湿热谱老化试验,研究了湿热谱老化对复合材料层压板拉伸和冲击后压缩（CAI）强度的影响。试验结果表明,湿热老化引起严重的强度降,特别是冲击后压缩强度。老化后损伤面积不扩展或扩展很小。     

湿热老化对T700/3234复合材料力学性能影响研究

在室温及70℃条件下对单向T700/3234复合材料进行了湿热老化试验,分别测试了经历不同吸湿时间后材料的吸湿率、层间剪切强度和弯曲强度,并且利用扫描电镜(SEM)对力学性能试样的断口形貌进行了分析.结果表明,吸湿温度越高,饱和吸湿率越高.T700/3234复合材料具有良好的耐湿热性能,其层间剪切强度、弯曲强度保持率分别为69.33％和76.06％.吸湿使界面出现一定程度的脱粘是导致其力学性能下降的主要原因.     

CF3052/5284RTM 复合材料湿热性能

通过对CF3052/5284RTM复合材料进行试验研究,测定其在不同湿热条件下的基本力学性能,分析湿热条件对基本力学性能的影响。结果表明:湿热环境对该复合材料力学性能的影响程度不一,其中湿度的作用较温度更加明显;该复合材料在高温湿态条件下保持了较高的拉伸和纵横剪切强度,具有综合力学性能好、耐湿热性能好等优点。     

碳纤维/ 环氧树脂层压板的孔隙问题

总结了国内外关于碳纤维/环氧树脂层压板孔隙的形成机理、检测方法、影响因素及孔隙对复合材料力学性能的影响.结果表明,孔隙对复合材料层合板的强度和疲劳寿命有不利影响,并且孔隙对水的渗透和环境因素非常敏感,孔隙的存在促进了水分的吸收,且吸湿可导致材料强度下降.提出湿热环境下孔隙对复合材料性能影响是未来研究方向之一.     

复合材料层压板压缩剩余强度分析

为了对复合材料含孔层压板的压缩剩余强度进行快速、精确地评估,采用了有限元渐进损伤剩余强度分析方法。使用Tsai-Wu准则作为强度判据,使用Abaqus用户子程序USDFLD对破坏的单元进行刚度折减。单元的刚度折减采用材料性能退化的方法实现。对复合材料含孔层压板进行有限元渐进损伤分析,得到了含孔层压板的破坏过程、破坏载荷和剩余强度,以及不同角度铺层的主要破坏类型。通过对复合材料含孔层压板压缩剩余强度的有限元分析数据与试验数据对比研究发现,使用Abaqus用户子程序USDFLD的有限元渐进损伤剩余强度分析方法得到的分析结果与试验结果非常接近。试验数据和有限元分析数据验证了Abaqus用户子程序USDFLD和刚度折减方法的正确性以及渐进损伤剩余强度分析结果的精确性。     

OoA成型T800/607复合材料制备及性能

采用非等温DSC对非热压罐(OoA)成型环氧树脂基体607进行了固化动力学研究,确定了树脂的固化动力学方程。制备了T800/607热熔预浸料和复合材料单向板,并比较了热压罐和OoA成型工艺下T800/607复合材料的性能。结果表明:该类预浸料室温储存期大于30 d,OoA成型质量优异,复合材料孔隙率远低于1%。OoA成型复合材料的弯曲强度为1 480 MPa,层剪强度为96.7 MPa,与在热压罐条件下固化的复合材料性能相当。     

湿热环境对T700/5429 弯曲和面内压缩强度的影响

用热压罐法制备了单向碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基( T700/5429)复合材料层压板.在45、85℃水浴的湿热环境下,对层压板进行了90 d的浸泡,测试了浸泡前后的红外吸收光谱、吸湿率、弯曲和面内压缩强度.结果表明:浸泡90 d后树脂基体未出现新的吸收峰;其吸湿率变化是扩散行为并可用菲克扩散定律描述;其弯曲和面内压缩强度随浸泡时间的变化是非线性的,即分形的,其中弯曲强度变化的分形维数45℃时为1.10、85℃时为1.07,面内压缩强度变化的分形维数45℃时为1.04、85℃时为1.05,说明复合材料弯曲强度和面内压缩强度随浸泡时间的变化具有一定的复杂性.     

玻璃纤维／甲基硅树脂复合材料高温及耐湿热性能的研究

研究了玻璃纤维/甲基硅树脂复合材料高温下层间剪切强度的变化及耐湿热性。结果表明,室温～800℃过程中层间剪切强度随温度升高不断降低,800～1000℃层间剪切强度保持不变。采用IR对甲基硅树脂在室温,600℃,800℃及1000℃的结构进行表征,结果表明,甲基硅树脂在800℃时结构趋于稳定。对甲基树脂的TG分析表明,甲基硅树脂有良好的耐热性。利用SEM分析了玻璃纤维/甲基硅树脂复合材料800℃时树脂与纤维的结合变化。耐湿热性实验表明,复合材料经100h水煮后吸水率仅有2.35%,层间剪切强度下降21.9%。     

湿热环境对T700/5428中心孔板静强度影响的试验研究

研究了湿热环境对碳纤维/树脂复合材料静力拉伸和压缩性能的影响.对T700/5428体系的复合材料中心开孔试件进行了常温、吸湿后常温、吸湿后75℃、吸湿后105℃环境下的静力拉伸和压缩试验.     

复合材料层压板抗冲击行为及表征方法的实验研究

对14种复合材料体系约800个试样进行了冲击阻抗和含损伤层压板压缩强度试验研究,研究发现对于同一种复合材料层压板的冲击能量．凹坑深度曲线和凹坑深度．压缩破坏应变曲线均存在拐点,在出现拐点后内部的分层损伤叠加面积基本上不再增加,压缩剩余强度基本上不再降低,表面冲击部位开始出现纤维断裂。研究表明采用传统CAI来表征损伤容限性能的方法可能得到与实际结构损伤容限特性相反的结论,因此,提出了利用拐点附近特性来表征复合材料层压板的抗冲击行为（包括损伤阻抗和损伤容限）的建议,即分别采用QSI方法得到的准各向同性层压板的最大接触力Fmux和压缩破坏强度（应变）的门槛值CAIT来表征复合材料层压板的损伤阻抗和损伤容限行为。     

湿热环境下复合材料孔板压缩性能的研究

采用压缩试验的方法,对含孔机织碳纤维环氧复合材料层板进行了湿热环境下的压缩试验,研究了湿热环境对其压缩性能的影响。分析了复合材料孔板的吸湿特性、压缩强度、破坏模式及动态力学性能。结果表明:机织碳纤维环氧复合材料吸湿率较低,其饱和吸湿率仅为0.88%左右。湿热环境会降低由基体性能主导的压缩强度,130℃下湿态试样的开孔压缩强度保持率约为70%。含孔复合材料层合板的破坏模式均为过孔破坏,破坏均发生在应力集中的区域,并且断裂都是沿着应力集中最大的方向扩展。侧面断口主要为剪切失效,有分层和屈曲的特征。吸湿后复合材料的DMA Tg为125℃,比干态时下降了16℃。     

国产T700级碳纤维表面特性对BMI复合材料湿热性能的影响

分别采用SEM、AFM、XPS和TGA对两种国产T700碳纤维和国外东丽T700S碳纤维的表面形貌、表面化学特性以及碳纤维上浆剂耐热性进行了表征,通过纤维性能转化率的计算,考查了T700碳纤维/双马复合材料的界面粘结性能,并通过T700碳纤维/双马复合材料湿热条件处理前后的0o拉伸强度和层间剪切强度测试对复合材料的耐湿热性能进行了表征。研究发现T700碳纤维的表面粗糙度和活性官能团含量等表面特性对双马复合材料的界面粘结性能具有显著影响,进而在一定程度上影响着双马复合材料的耐湿热性能。研究结果表明:国产T700碳纤维/双马树脂复合材料的耐湿热性优于国外同类T700碳纤维双马复合材料。