湿热下含孔隙CFRP层合板抗低能量冲击性能研究

论文摘要

碳纤维增强树脂基复合材料（以下简称CFRP）,由于其优异的综合性能而被广泛应用于航空航天领域,但CFRP层合板的力学性能因受环境条件和孔隙的影响,特别是受冲击后其抗冲击性能和其他的力学性能都会发生较大的变化,因此,关于湿热环境条件下孔隙和冲击作用对CFRP层合板性能影响的研究具有重要的理论研究意义与实际工程应用价值。本文研究了不同孔隙含量CFRP层合板的吸湿和脱湿特性,并对吸湿前后的孔隙形貌特征进行了对比分析;研究了湿热、脱湿及孔隙对未受冲击试样的拉伸强度、弯曲强度、巴氏硬度和固化度等力学性能的影响;探讨了CFRP层合板经受低能量冲击后,其冲击损伤状况以及孔隙形貌的变化、拉伸和弯曲试样损伤破坏特征、冲击对层合板拉伸性能和弯曲性能的影响。试验研究表明,CFRP层合板中的孔隙在金相显微镜下观察大都近似呈圆球形和拉长的椭球形,而且多分布于树脂区域和层间界面处;经过金相观察和SEM分析发现吸湿会使得孔隙附近产生微裂纹,并会使树脂与纤维出现脱粘,脱湿后不能使其得到恢复;CFRP层合板的吸湿特性遵从Fick第二扩散定律,并且吸湿过程会出现“二次吸水”现象,将吸湿饱和的试样脱湿至工程干态所需的时间远小于吸湿至饱和所需时间,孔隙率越大的吸湿和脱湿速率都会越快;吸湿会显著降低CFRP层合板的拉伸强度、弯曲强度和巴氏硬度,同时提高CFRP层合板的固化度,经过脱湿后又会使其拉伸强度、弯曲强度和巴氏硬度有所升高,并会使固化度产生降低;试样受冲击后,通过放大镜观察、超声C扫描和热揭层方法可以发现层合板冲击试样背面的损伤破坏更为严重,并在孔隙附近会产生较多裂纹;当冲击能量较大时,会出现纤维的断裂,并且损伤面积-冲击能量、凹坑深度-冲击能量和损伤面积-凹坑深度的曲线都会出现拐点;层合板中的孔隙含量越高、所受的冲击能量越大、吸湿时间越长,其力学性能下降的就会越快,抗冲击性能也就越差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外关于复合材料中孔隙的研究现状
• 1.2.1 孔隙的形成机理及表征评价方法
• 1.2.2 孔隙对复合材料力学性能的影响
• 1.3 国内外关于复合材料受湿热环境影响的研究现状
• 1.3.1 复合材料湿热性能的研究
• 1.3.2 湿热环境对复合材料力学性能的影响
• 1.3.3 吸湿理论分析
• 1.4 国内外关于复合材料受冲击影响的研究现状
• 1.4.1 冲击损伤的特征及表征评价方法
• 1.4.2 冲击对复合材料力学性能的影响
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 试验材料与研究方案
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设备及制备工艺方法
• 2.2.1 试验设备
• 2.2.2 CFRP 加工制备工艺方法
• 2.3 试验研究方案
• 2.3.1 孔隙率检测与孔隙特征表征方法
• 2.3.2 湿热性能试验方法
• 2.3.3 静态力学性能试验方法
• 2.3.4 冲击性能试验方法
• 第3章 湿热环境对CFRP 层合板性能影响的研究
• 3.1 引言
• 3.2 CFRP 层合板的孔隙率检测
• 3.3 含孔隙CFRP 层合板的吸湿及脱湿特性
• 3.3.1 CFRP 层合板吸湿过程及分析
• 3.3.2 CFRP 层合板脱湿过程及分析
• 3.4 湿热环境对CFRP 层合板及其孔隙形貌的影响
• 3.5 湿热环境及孔隙率对CFRP 层合板力学性能的影响
• 3.5.1 湿热环境对拉伸性能的影响
• 3.5.2 湿热环境对弯曲性能的影响
• 3.5.3 湿热环境对巴氏硬度的影响
• 3.5.4 湿热环境对固化度的影响
• 3.5.5 CFRP 层合板破坏形貌分析
• 3.6 脱湿及孔隙率对CFRP 层合板力学性能的影响
• 3.6.1 脱湿对拉伸性能的影响
• 3.6.2 脱湿对弯曲性能的影响
• 3.6.3 脱湿对巴氏硬度的影响
• 3.6.4 脱湿对固化度的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 低能量冲击对CFRP 层合板性能影响的研究
• 4.1 引言
• 4.2 CFRP 层合板冲击性能的研究
• 4.2.1 冲击前后孔隙形貌分析
• 4.2.2 冲击损伤检测
• 4.2.3 冲击损伤结果与分析
• 4.3 湿热下低能量冲击对CFRP 层合板力学性能的影响
• 4.3.1 湿热下冲击能量对拉伸性能的影响
• 4.3.2 湿热下冲击能量对弯曲性能的影响
• 4.4 脱湿对低能量冲击后CFRP 层合板力学性能的影响
• 4.4.1 脱湿后冲击能量对拉伸性能的影响
• 4.4.2 脱湿后冲击能量对弯曲性能的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢