湿热老化对CFRP复合材料力学性能的影响

摘要

低速冲击一般发生在10米/秒以下。自20世纪70年代初以来，复合材料结构的低速冲击相关研究一直被广泛关注。低速冲击在日常工作环境中较为常见，在航空领域，许多研究人员试图设计出最适合自己重量的最佳结构。当在制造或维修过程中有相应事故发生，材料结构可能会损失高达50%的强度。由于目前航空航天技术的使用高度依赖于复合材料的使用，因此预测它们对此类事件的行为是至关重要的。在复合材料的服役过程中，其结构将受到一系列环境条件的影响。这些材料必须面对的两个最普遍的条件为温度和湿度，更重要的是它们的组合效应。
　　针对该研究方案，本文对三种不同铺层结构的CFRP的低速冲击性能进行了研究，并比较了其在人工老化和低速冲击条件下的力学性能。在航空航天工业中，通常使用三种常见的CFRP层结构配置，它们是{0/90/45/-45/90/0}，{0/-60/-45/60/60/0}和{0/45/90/-45/0}。本研究重点介绍了用T300碳纤维和 tde-85基体制备得到的具有三种铺层结构的复合材料。制备得到这些复合材料层合板后,将其切成所需的ASTM标准试样并在水分饱和以及不同温度和湿度的四种不同的组合环境下进行湿热老化试验：组合分别为60℃/60%RH,60℃/90%RH,90℃/60%RH以及90℃/90%RH。
　　基线试验结果表明，对于低速度冲击和冲击后压缩试验，具有较高准各向同性取向的方向的抗冲击性能优于交叉层结构的方向。还可以确定，对于弯曲载荷，这些准各向同性结构更适合处理此类环境中的应力。
　　从湿热测试中，每种铺层方式下甚至在极端环境下试样重量均有所上升。在较低的温度和较低的湿度水平下，每个方向吸收的水分含量较低，随着温度和湿度的增加，样品中水分吸收的量也增加了。通过测试，我们看到的0/-60/-45/90/60/60/0}铺层具有最少的吸湿量，而{0/90/45/-45/90/0}铺层具有最高的吸湿量。最后一铺层结构的吸湿量介于两者之间。交叉层结构的使用的增加会在一定程度降低复合结构的吸水。本研究得到的数据支持这一理论。
　　低速度冲击试验结果表明，湿热老化对低速冲击性能有负面影响。本文研究数据表明，复合材料试样遭受的温度和湿度越高，影响阻力越小，无论试样的铺层结构如何。然而，在使用的四种环境中，{0/-60/-45/60/60/0}铺层结构的试样表现最好，对低速度冲击产生了最大的阻力。低速冲击还对撞击面造成了凹痕伤害，并对层合板的后端造成损坏。然而，在极高的温度条件老化后，低速冲击使层合板试样分层并加剧了表面裂纹的传播。大部分的损伤发生在内部，正如光学数字显微镜和SEM分析所证明的那样。
　　当试样进行湿热老化时，纤维与基体间界面的降解会导致机械性能的丧失，当低速冲击发生时，界面力学性能会被进一步削弱。然而，具有高准各向同性取向的试样（例如{0/-60/-45/90/45/60/0}）优于有高交叉层叠铺层的试样（例如{0/90/45/-45/90/0}。
　　利用拉伸和弯曲试验来进一步验证层合板试样的抗压强度和低速冲击阻力的损失。令人惊讶的是，方向{0/90/45/-45/90/0}显示了最高的抗拉强度和最小的老化百分比损失，而方向{0/-60/-45/90/60/0}显示的是最低的平均抗拉强度和最大的性能损失。然而，这种抗拉强度的损失是通过弯曲强度来抵消的，而弯曲强度则显示出相反的趋势。由于在低速冲击时，压应力更占主导地位，弯曲强度在维持机械性能方面起着更大的作用，因此，0/-60/-45/90/60/0}铺层结构的层合板试样具有最优力学性能。试验结果表明，拉伸强度和弯曲强度均依赖于复合材料的厚度方向。在抗拉强度方面，在受力方向具有较高纤维含量的样品具有较高的力学性能，但在抗弯曲强度方面，在受力方向外具有较高纤维含量的样品具有较高的力学性能。
　　最终，通过SEM分析，确定了层合板试样的损伤机理。对于老化试样，自从夹在开始，断裂就持续产生直至试样失效。试样结构显示了纤维与基体界面失效的轻微迹象，其拉出的纤维短，基体碎片小且位于裂缝表面。然而，在高温高湿度老化条件下的试样显示出明显的纤维与基体间界面失效的迹象，拔出纤维较长，并存在空隙，纤维表面无基体碎片。将这些SEM观察结果与力学性能的损失联系起来，从而分析得到纤维与基体间界面在湿热环境下力学性能损失的原因。

目录

Chapter 1 Introduction

1.1 Review

1.2 Moisture Influence

1.3 Temperature Influence

1.4 Combined Influence of Temperature and Humidity

1.5 Low Velocity Impacts

1.6 Methodology

Chapter 2 Materials and Testing Methods

2.1 Introduction

2.2 Standards Used

2.3 Materials

2.4 Sample Synthesis

2.5 Testing Methods

Chapter 3 Characterization of Mechanical Properties before Hygro-thermal ageing

3.1 Introduction

3.2 Low Velocity Impact Tests

3.3 Compression after Impact Testing

3.4 Tensile Testing

3.5 Flexural Testing

3.6 Scanning Electron Microscopy

3.7 Summary

Chapter 4 Characterization of Mechanical Properties after Hygro-thermal ageing

4.1 Introduction

4.2 Moisture Absorption

4.3 Mechanical Testing after Hygro-thermal Ageing

4.4 Low Velocity Impacts after Hygro-thermal Ageing

4.5 Residual Compressive Stress (Compression after Impact) Testing

4.6 Tensile Testing

4.7 Flexural Testing

4.8 SEM Analysis

4.9 Summary

Conclusions

参考文献

声明

致谢