湿热老化对碳纤维复合材料界面及抗冲击性能影响研究

发布时间：2020-10-28 02:19

　　 碳纤维复合材料因其高比强度、耐腐蚀、抗疲劳性能好、材料的可设计性和优良的抗冲击性能,在发动机冷端部件(外涵机匣)以及飞机蒙皮、机翼上得到了广泛应用。飞机在服役期间会受到环境载荷的干扰,复合材料层合板的层间界面结合力较低,对长时间作用的湿热因素较为敏感,导致界面损伤及力学性能变化,对复合材料的抗冲击性能产生影响。本文结合试验手段开展了以下三方面的研究:(1)对T700/TDE-86复合材料参照飞机复合材料循环湿热老化谱进行了循环湿热老化试验,得到吸湿曲线并分析其吸湿机理,通过扫描电子显微镜对不同老化时间的试件进行观察,讨论不同循环湿热老化时长对复合材料表面、纤维/基体界面和层间界面的影响。研究结果表明:T700/TDE-86复合材料吸湿过程分为三个阶段,吸湿变化符合Fick第二扩散定律,在140天左右达到饱和吸湿率,饱和吸湿率为1.256%;随着老化时间的增长,基体表面形成龟裂纹,基体与纤维之间产生剪应力,引起纤维/基体界面的脱粘,基体溶胀导致层间界面脱粘。(2)对不同老化时间的T700/TDE-86复合材料的进行层间剪切强度、Ⅰ型和Ⅱ型的层间断裂韧性试验得到其随老化周期的变化规律,以及不同老化时间下复合材料的失效模式的改变。研究结果表明:Ⅰ型和Ⅱ型的层间断裂韧性试件端部的预制裂纹在溶胀应力的作用下,向外开始发生屈曲;T700/TDE-86复合材料层间剪切强度先上升后下降,老化280天后层间剪切强度保留率为82.16%;Ⅰ型层间断裂韧性因为纤维桥接随着老化时间增长而上升,老化280天后,保留率为145.9%;Ⅱ型层间断裂韧性释放率随老化时间的变化是一个下降的过程,老化280天后,保留率为61.34%。(3)对不同老化时间的T700/TDE-86复合材料试件进行弹道冲击试验,每种老化周期下得到一次反弹状态和三次不同速度下的击穿状态,对弹道极限速度受循环湿热老化的影响进行了分析;观察冲击过后试件的损伤断口,分析不同状态、不同冲击速度和不同循环湿热老化时长对复合材料的失效模式的影响;对冲击后的复合材料进行超声C扫描试验,分析了损伤面积变化趋势;研究结果表明老化280天后的复合材料的弹道极限上升了11.5%,断口失效模式以及其导致的损伤面积也会随着老化时间和弹体的冲击速度而变化。研究循环湿热老化条件下复合材料结构的抗冲击性能对飞机的结构完整性具有重要意义。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

场环境（广州和北京的平均值）来进行模拟，用14天加速即可模拟一年的飞机的老化。在老化谱编制中还要充分考虑飞行间隔和最大限度的加速来对上升、下滑及高速飞行进行真实模拟，编制结果如图2.1所示。24小时为循环老化谱的一个循环，本文后续的老化循环数将会以老化天数代替。

3s，共24层，平均每层的厚度为0.125mm，纤维的体积分数约为60%，成型后的平板经过机加工切割，制作成尺寸为30mm×15mm×3mm的吸湿特性试验件，如图2.2所示。本次吸湿试验采用的是层间剪切强度的试验件，同时进行循环湿热老化试验的还有断裂韧性Ⅰ型、断裂韧性Ⅱ型和弹道冲击试验件。图 2. 2 吸湿特性试验件2.2.3 试验设备本次循环湿热老化试验共用到三种实验设备，高低温交变环境试验箱、高精度电子天平和扫描电子显微镜，试验设备主要参数和实物图如表2.1和图2.3、2.4、2.5所示。循环湿热老化试验是在南京航空航天大学结构强度试验室进行的，电镜扫描试验是在江苏大学分析测试中心进行的。

2.2.3 试验设备本次循环湿热老化试验共用到三种实验设备，高低温交变环境试验箱、高精度电子天平和扫描电子显微镜，试验设备主要参数和实物图如表2.1和图2.3、2.4、2.5所示。循环湿热老化试验是在南京航空航天大学结构强度试验室进行的，电镜扫描试验是在江苏大学分析测试中心进行的。
【参考文献】

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本文编号：2859422