碳纤维/环氧复合材料低温层间增韧研究

摘要

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRPs）由于具有高比强度、高比模量、可设计性强、耐极端环境等优异性能而得到广泛的应用。可重复使用航天运载器（RLV）的研究是当前航天领域重要的发展趋势，作为运载器重要部件的低温液体推进剂贮箱体积和质量占比极大，设计轻质高强的贮箱对RLV减重效果明显，将高性能的CFRPs应用于低温贮箱具有极大的优势。然而由于复合材料层间主要靠基体传递载荷，而树脂基体高度交联的网络结构使得其较脆，从而导致复合材料层间断裂韧性较低，容易发生分层损伤，大大降低了CPRPs的综合性能。为了??高层间韧性，常采用Z向增韧、界面改性、基体增韧、层间增韧等方法。其中，层间增韧方法在大幅??升层间韧性的同时也能极大程度地保持材料的其他原有性能及原有工艺不变。因此，本文采用层间增韧的方法来??高CPRPs的层间断裂韧性，并分析常温和低温下的增韧机理。 将制备的具有不同形貌和分散性的纳米粒子均匀喷涂在预浸料表面，制备了复合材料层合板，并测试Ⅱ型层间断裂韧性。实验表明，常温下，Ⅱ型层间断裂韧性在适当的纳米粒子含量下都获得了??高，这主要是因为纳米粒子在层间形成了有效吸收断裂能的微结构；而在低温下，纳米粒子的引入却起反作用，这是因为在层间引入纳米粒子后，层间树脂的膨胀系数降低，残余应力相比于未改性的CFRPs降低，使得其在低温环境下，原有的强界面应力分布模式被打破，纤维和树脂间的应力重新分布，界面结合强度减弱，此外，纳米粒子可能引入缺陷导致应力集中，这两者的不利因素强于纳米粒子所形成的的有利微结构，综合作用下，使得Ⅱ型层间断裂韧性降低。纳米AlOOH的综合增韧效果最好。 使用多种微米级热塑性颗粒对复合材料进行层间增韧，测试了常低温下的Ⅱ型层间断裂韧性，结果表明，改性的聚芳醚酮（PAEK）在常低温下综合表现最好。将微米级的PAEK颗粒和纳米级的AlOOH粒子同时引入层间，实验结果表明，PAEK和AlOOH在常低温下都表现出了协同增韧的效果，两者的共同增韧效果大于单独增韧效果之和。 为了进一步分析增韧机理及层间增韧层厚度及模量对层间断裂韧性的影响，通过等效夹杂理论将颗粒增韧等效为Interleaf，建立Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性计算模型，然后对常低温层间断裂韧性进行分析，结果与实验较符，且表明，在厚度远低于单层预浸料的范围内，较厚的夹层增韧效果相对较好，在一定范围内，层间低模量有利于增韧，且模量的影响大于厚度的影响。

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