含孔隙CFRP层合板的湿热老化与力学性能退化

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碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)因其优异的比强度和比模量,而被大量应用于飞行器中,可以有效减轻飞行器的重量,提高飞行器的气动弹性和载荷能力。然而在CFRP的制备过程中难以避免的会在其中产生孔隙缺陷,在材料实际服役过程中,CFRP所受湿热环境与孔隙缺陷的共同作用会对其可靠性造成较大影响,因此针对湿热环境与孔隙缺陷对CFRP力学性能的影响开展相关研究意义重大。本文主要研究了不同孔隙率的CFRP层合板在75℃,湿度为RH85%条件下的湿热老化行为以及脱湿特性、湿热老化与孔隙缺陷对CFRP层合板静载力学性能以及弯曲疲劳性能的影响,利用红外光谱分析手段、扫描电子显微镜和金相显微镜分析湿热老化对含孔隙CFRP层合板化学结构以及微观形貌的影响。试验结果表明,孔隙缺陷的增多会引起层合板试样静载力学性能的降低,其中弯曲强度的降低最为明显,同时也会导致CFRP层合板疲劳载荷的下降幅度的增加,孔隙率的不同未对试样的吸湿特性曲线总体走势造成明显影响,随着孔隙率的增大,层合板试样的吸湿率增长速率有所增大,平衡吸湿率也随之变大。通过对吸湿特性曲线的拟合分析发现,孔隙含量的上升会引起材料扩散系数的增大。随着孔隙率的增大,湿热老化所造成的材料拉伸强度的下降幅度反而趋于减小,但并未明显改变压缩强度随湿热老化时间的下降幅度。由弯曲疲劳试验结果可知,经四万次弯曲载荷循环作用后,孔隙率为0.3-0.7%的层合板,湿热老化使其疲劳载荷的下降幅度变大,而湿热老化对孔隙率为0.7-1.2%的层合板疲劳载荷的下降影响不大。对于隙率为1.2-2%的层合板,湿热老化减小了其应力下降的幅度。湿热老化对含孔隙CFRP层合板试样内部官能团结构几乎没有影响,化学变化不是引起层合板力学性能退化的主要原因。
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