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孔隙对碳/环氧复合材料层压板性能的影响与评价研究

朱洪艳  
【摘要】: 随着碳纤维增强环氧树脂基复合材料在航空航天领域的广泛应用,复合材料加工过程中产生的孔隙缺陷,也越来越受到人们的重视。孔隙的存在显著地降低了复合材料的性能,因此研究孔隙率、孔隙的尺寸和分布对于复合材料的应用具有重大的实际意义。国外学者对孔隙问题进行了大量的研究,而国内的研究相对较少。本文针对某型飞机上应用的典型铺层及其制备工艺开展了孔隙问题的研究,探讨了热压罐成型工艺中孔隙的形成机理,采用不同的热压罐压力制备了含有不同孔隙率的层压板,分析了孔隙的尺寸、形状及分布规律,研究了孔隙对拉伸、压缩、层间剪切、低速冲击、层间剪切疲劳和湿热性能的影响规律。 对孔隙的形成机理进行了分析研究。针对T300/914碳纤维增强环氧树脂复合材料,根据孔隙生长模型,对热压罐固化工艺参数对孔隙率的影响进行了理论预测和实验分析,得到了热压罐压力对层压板孔隙的影响关系。 采用光学显微镜和图像分析方法研究了复合材料层压板的孔隙的形貌特征。结果表明,孔隙大多出现在层间树脂富集区,而且孔隙都会沿着层间发展。当热压罐压力较低时,少数孔隙在层内出现,尺寸和纵横比都较小。随着热压罐压力的增大,孔隙的面积、长度和纵横比都不断地增大,面积较大的孔隙也逐渐增多。复合材料层压板的铺层影响了孔隙的分布和孔隙的形貌。 建立了孔隙和复合材料层压板的拉伸强度和模量、压缩强度和模量与层间剪切强度的定量关系,分析了孔隙对破坏机制的影响,并采用物理模型和神经网络模型对孔隙的影响进行了模拟。结果表明,孔隙率对复合材料层压板的压缩强度和模量以及层间剪切强度的影响比较大,对拉伸强度的影响比较小,对拉伸模量的影响由于层压板铺层的不同差别较大。孔隙促进了裂纹的产生和扩展。在压缩载荷作用下,孔隙还使得增强纤维出现了微屈曲和屈曲折断。在层间载荷作用下,层间孔隙也会使得增强纤维折断。 研究了孔隙与复合材料层压板的冲击后层间剪切强度的定量关系,并采用光学显微镜和X射线分析了孔隙对冲击损伤的影响。结果表明,孔隙的存在促进了冲击裂纹的产生。冲击后的复合材料层压板的层间剪切强度随着孔隙率的增加降低很大。 研究了孔隙与复合材料层压板的层间剪切疲劳寿命的定量关系,并采用光学显微镜和X射线分析了孔隙对疲劳损伤的影响。结果表明,随着孔隙率的增加,复合材料层压板的疲劳寿命降低。孔隙的存在促进了疲劳裂纹的产生和扩展。 研究了不同湿热条件下孔隙对复合材料层压板吸湿性能和湿热老化的层间剪切性能的影响,建立了孔隙率与吸湿量和脱湿后层压板的层间剪切强度的定量关系。结果表明,复合材料层压板的吸湿率和最大吸湿量均随着孔隙率的增加不断增大。由于后固化现象的存在,复合材料层压板的湿热老化后的层间剪切强度随着孔隙率的变化较为复杂。孔隙在湿热环境下影响了裂纹的产生与扩展。


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