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超低温用环氧树脂及其碳纤维织物增强复合材料的研究

翁春晓  
【摘要】:随着超导低温技术的发展以及航空航天领域的需求,复合材料的低温应用越来越广泛。低温用结构、支撑等元件对其低温力学性能有着各种特殊的要求,低温下材料性能会发生较大变化,这使得研究材料的低温力学性能很有必要。 纤维复合材料单层板在纤维方向的强度和刚度较高,而在垂直纤维方向上却很低,而工程实际应用往往以层合板形式出现,细观力学分析因结构的复杂显得较为困难。研究织物复合材料的力学性能是一复杂而具有实际意义的工作。当前,正交铺层复合材料的低温性能研究文献报道较少。论文采用试验方法研究了碳纤维织物增强环氧树脂复合材料的室温和低温力学性能。 本论文开展了如下几方面的研究: 1.从低温环氧树脂体系的工艺性能研究入手,通过DSC热分析、凝胶时间、固化度的分析,确立了配方的固化制度为100℃2h/+130℃/4h+150℃/4h; 2.通过RTM模具设计和工艺参数的分析,确立了适合本配方体系的成型工艺:室温灌注,真空度:-0.08~-0.09MPa,注射压力:0.02-0.03MPa; 3.通过树脂浇注体性能测试得到,新选用的低温用环氧树脂体系浇注体性能较好,室温下拉伸强度99MPa,杨氏模量2.6GPa。 4.通过力学实验研究及分析得到,缝编织物增强复合材料的强度与非经编织物增强的复合材料相比或多或少有所降低,拉伸强度降低达41%,弯曲强度降低达18%;纤维排布方向对复合材料弯曲性能有明显的影响,0/90纤维铺层可以提高材料的弯曲性能(室温下由167MPa增加至530MPa);碳纤维的表面状态影响界面结合强弱和材料的力学性能,T300环氧复合材料的拉伸强度583.1MPa,弯曲强度505MPa,冲击韧性为95.4KJ/m2。T700复合材料的拉伸强度693.14MPa,弯曲强度530MPa,冲击韧性为281KJ/m2. 5.与室温相比,低温下复合材料的拉伸强度增加,增幅达20%左右。弯曲强度也有所提高。其中,T700单向布正交铺层纤维增强复合材料和方格布增强材料的低温强度较大,分别为1157.80MPa和1168.60MPa。冲击韧性随着温度的降低而下降。本文研究发现,缝编±45°纤维复合材料冲击韧性最佳,室温和低温下分别为347KJ/m2和151.61KJ/m2。通过SEM分析得低温下复合材料的破坏比较严重,且界面脱胶面积大。 6.最后探讨了低温增韧机理,并采用微裂纹理论对界面断裂性能进行研究,利用有限元方法分析,为复合材料的性能预测提供了数据。


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