碳纤维/环氧树脂复合材料界面粘接强度的温度效应

摘要

纤维增强复合材料在整个服役周期内会遇到各种不同温度环境。复合材料界面性质是复合材料结构设计的基础，研究温度对复合材料界面性质的影响将为复合材料在不同温度环境下的服役设计提供基础数据。
　　本文以碳纤维/环氧树脂复合材料为研究对象，采用束纤维抽拔方法，获得在20℃、50℃、80℃、110℃、140℃环境温度下的抽拔载荷-位移曲线。结合环氧树脂动态热机械性质和抽拔断口电镜照片，通过数值计算模拟，研究温度对碳纤维/环氧树脂界面抽拔失效模式和界面粘结强度的影响，揭示界面抽拔失效机理。根据试验结果得到如下结论：
　　(1)采用动态热机械分析（dynamic thermo-mechanical analysis，DMA）方法测试得到环氧树脂玻璃化温度Tg约为110℃，超过Tg时环氧树脂力学性能急剧大幅下降。环氧树脂DMA时间扫描曲线表明：环氧树脂在同一温度下加热1小时，其力学性能变化不大。
　　(2)通过建立碳纤维/环氧树脂复合材料试件全尺寸模型，结合有限元方法数值模拟试件传热过程，确定试件在指定温度下达到热平衡所需时间。
　　(3)碳纤维/环氧树脂复合材料抽拔破坏失效在不同温度下有不同形式。较低温度下是界面脱粘主导失效模式，较高温度下逐渐转变为基体破坏主导失效模式。
　　(4)碳纤维/环氧树脂复合材料抽拔过程中，最大抽拔载荷受界面粘结强度和环氧树脂性质影响，同时发现最大抽拔载荷随温度升高而降低。抽拔失效位移在环氧树脂玻璃化转变温度附近达到最大值。
　　(5)界面粘结强度具有明显的温度效应。随着温度升高，界面粘结强度降低。
　　(6)抽拔过程中，界面初始脱粘点出现在纤维束与基体交界处。脱粘逐步沿纤维长度方向扩展，最后界面完全破坏，纤维束被抽出，界面应力会发生重分布。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2纤维增强聚合物基复合材料界面研究现状

1.3温度对复合材料界面性能影响

1.4纤维抽拔实验有限元模拟

1.5目前问题

1.6本文主要内容

第二章 试件制备与性能测试

2.1复合材料抽拔试件制备

2.2体积分数测试

2.3环氧树脂DMA测试

2.4本章小结

第三章 复合材料试件传热分析

3.1参数确定

3.2有限元模型

3.3传热结果分析

3.4本章小结

第四章 碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能温度效应

4.1实验材料及仪器

4.2测试方法

4.3实验结果与分析

4.4本章小结

第五章 界面抽拔失效机理数值模拟

5.1 CZM模型

5.2有限元建模过程

5.3有限元计算结果

5.4本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表文章

致谢