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高低温循环作用后CFRP层合板力学性能演变研究

肖琳  
【摘要】:碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)具有很多的优良性能而被广泛的应用于航空航天领域,而飞行器在服役期间,会受到温度、湿度以及冲击等很多不良因素的作用,而导致复合材料性能降低。目前,复合材料的耐高温性能研究较多,但低温和高低温循环对复合材料性能的影响研究较少,数据库仍需要补充。本文针对CFRP复合材料受高温、低温和高低温循环作用后的性能演变进行了研究,并对CFRP复合材料在湿热作用后性能演变进行了分析;建立有限元模型模拟了不同温度环境对CFRP层合板静态力学性能和抗冲击性能的影响。 本文以G803/914层合板作为研究对象,通过对低温(-30℃)、高温(150℃)、高低温循环(-30℃~150℃)处理前后层合板的弯曲、压缩以及冲击性能的测试,研究了CFRP层合板的性能演变规律,并采用超景深三维显微镜、扫描电子显微镜对测试损伤进行了宏观、微观形貌分析,采用傅立叶红外光谱和DTA对处理前后层合板的基体结构进行了分析,并对高低温处理后层合板的吸湿特性、破坏机制进行了研究;采用ABAQUS软件模拟了CFRP层合板经高温、低温和高低温循环作用后力学性能的演变,并分析了不同铺层的受力状态。 CFRP层合板性能测试结果表明:高温、低温、高低温循环处理均会导致层合板力学性能下降,其中,高低温循环使复合材料性能下降程度最为明显。另外,高低温循环处理会导致层合板吸湿率、平衡吸湿量和最终吸湿率增加,并且随循环次数的增加而增加。红外光谱分析表明:三种温度环境和湿热环境处理后的层合板结构没有明显变化,即没有发生化学老化,造成层合板性能下降的主要因素应该是环境对聚合物聚集态结构以及界面的影响。经不同温度环境处理后,层合板冲击损伤的破坏形式主要是凹坑、裂纹和分层,其抗冲击性能随处理时间的增加而降低。其中,高温情况下层合板凹坑背表面基体开裂最明显,分层现象最严重,而且背表面开裂形状与处理前不同。通过有限元模拟层合板力学性能的变化结果表明:(0,90)铺层较容易被破坏,应力分布与铺层角度有关,模拟得到的结果与试验结果相符。


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