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弯曲和水环境耦合作用下CFRP拉挤板材耐久性能研究

卡夫(Innocent Kafodya)  
【摘要】:目前,FRP增强复合材料已广泛被应用于航空、航天和土木等各领域,碳纤维增强复合材料更是以质量轻、强度高优异等特点满足各类工程应用的需求。然而,由于FRP材料在土木工程相关应用领域(海洋、水环境)长期耐久性试验数据的缺失,限制了其广泛应用。已有的研究者主要研究湿热环境下FRP复合材料的耐久性,关于弯曲应力和湿热环境耦合对FRP耐久性能影响的研究较少。 本文研究了在常温海水和蒸馏水两种环境下单向碳纤维拉挤板材在不同应变条件下(0%、30%和50%)的耐久性能。主要研究长期作用下(超过20周)弯曲应力和水吸收共同作用下对CFRP力学性能和粘弹性退化规律的影响,并研究不同弯曲应变下复合材料水吸收与其内部自由体积间的关系。试验主要采用拉伸测试、短梁剪切试验和热机械分析仪(DMA)分别研究CFRP的拉伸性能、层间剪切性能和热机械性能。研究结果表明: (1)在两种环境下,随弯曲应变的增加,CFRP的饱和吸水率均不断降低,这主要是由弯曲应力导致CFRP内部树脂的自由体积分数降低引起的。 (2)CFRP在海水环境下的饱和吸水率略高于蒸馏水环境,这是由海水环境下的材料发生破坏造成碳纤维与金属材料发生电化学反应引起的;海水环境下CFRP的扩散系数(吸水速率)低于蒸馏水,主要是由于海水溶液具有较高的离子浓度降,低了水吸收过程中水分子的渗透作用。 (3)水环境和海水环境下的试样均发生后固化现象,后固化作用对CFRP的拉伸强度、储能模量和玻璃化转变温度均提高作用。 (4)两种环境下水吸收导致拉伸强度、层间剪切强度、玻璃化转变温度和储能模量均呈现降低趋势,主要是由于水吸收长期导致树脂在短期内发生塑化,长期水解造成的。FRP的降解会加速,由于应力造成材料内部的空隙和纤维-树脂间界面的脱层引起的他的毛细作用。


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