三維編織碳纖維-環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的濕熱殘余應(yīng)力研究.pdf

1、三維編織碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料(C3D／EP)由復(fù)雜空間幾何結(jié)構(gòu)的增強體和基體結(jié)合而成,克服了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料沿厚度方向力學(xué)性能差、層間剪切強度低、易分層等缺點,其材料整體強度和剛度得到了提高。因此,在航空、航天等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但該復(fù)合材料在自然環(huán)境服役時不可避免地要受到濕熱環(huán)境因素的作用。其中,由于碳纖維與樹脂基體之間存在濕膨脹性的差異、不同的溶脹量導(dǎo)致的濕熱殘余應(yīng)力是主要的影響因素之一。針對于此,本文采用微Raman

2、光譜技術(shù)測試分析了C3D／EP復(fù)合材料的濕熱殘余應(yīng)力場,同時,通過建立復(fù)合材料的整體模型并采用有限元分析軟件ABAQUS對其濕熱殘余應(yīng)力場進行了模擬分析,為復(fù)合材料在服役過程的強度評價及估壽提供參考。
　　 研究時,首先分別在37℃和80℃下對三維編織碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進行吸濕試驗,吸濕實驗過程中采用微Raman光譜技術(shù)對C3D／EP復(fù)合材料的濕熱殘余應(yīng)力進行測試表征。測試結(jié)果表明,隨著C3D／EP復(fù)合材料吸濕過程的進行,其

3、材料中碳纖維沿軸向所受殘余應(yīng)力由吸濕前的熱殘余壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈駸崂瓚?yīng)力,且長期吸濕導(dǎo)致的殘余應(yīng)力可以達到較高的水平；測試結(jié)果也表明,C3D／EP復(fù)合材料中不同方向上碳纖維沿軸向的應(yīng)力變化差異較大。溫度對材料的濕致應(yīng)力場也有明顯的影響,表現(xiàn)為試樣80℃高溫條件下濕熱殘余應(yīng)力大小和變化速率與37℃時不同。
　　 本文還采用了卡爾曼濾波理論(Kalman filter theory)來估算C3D／EP復(fù)合材料在T=37℃,RH=10

4、0％條件下的兩個重要吸濕參數(shù):平衡吸濕量、水分?jǐn)U散系數(shù)。所得估算值為:平衡吸濕量C*=0.93％,擴散系數(shù)D=9.6×10-4mm2／s,為驗證該估算方法的準(zhǔn)確性,本研究采用有限元方法(FEA)對復(fù)合材料在所獲參數(shù)下的吸濕過程進行了模擬分析,結(jié)果表明模擬所獲吸濕增重曲線與實測曲線吻合較好,這說明卡爾曼濾波理論對C3D／EP復(fù)合材料的吸濕參數(shù)進行估計具有一定的準(zhǔn)確性。
　　 最后,本研究采用ABAQUS有限元分析軟件對C3D／EP