温度与湿度环境对碳纤维复合材料力学行为的影响研究

碳纤维复合材料作为一种先进复合材料,在航空、航天、建筑工程、汽车、医疗、体育等领域得到了广泛应用。碳纤维复合材料在工程应用中不可避免地会受到严寒、酷热、湿热等周围环境的影响,而环境中的可靠性目前尚缺乏系统的研究和评价。本研究以两类不同结构的碳纤维复合材料为研究对象,采用静态力学测试手段和微观分析方法,研究70℃、室温、-55℃、湿度、湿热等环境下的复合材料的力学性能及其演化规律。 研究结果表明,结构类型和温度的不同,湿度及湿热同时作用的环境对碳纤维复合材料的力学性能及破坏模式有不同程度的影响。单向碳纤维复合材料正交各向异性,沿碳纤维增强方向的拉伸和压缩性能明显高于垂直纤维方向,正交叠层增强碳纤维复合材料正交各向同性,经向拉伸、压缩性能稍高于纬向。-55℃、湿度及湿热环境下,碳纤维复合材料的个别力学性能测试值离散系数较大,表明在异常工程应用环境下,碳纤维复合材料性能稳定性较差。温度对碳纤维几乎没有影响,但对树脂基体和界面的影响较大,-55℃下树脂脆化程度增加导致模量相应增大,单向碳纤维复合材料90°方向拉伸强度随测试温度的上升成下降趋势,其它情况下拉伸强度变化不大,压缩强度会随着测试温度的升高而降低。碳纤维复合材料在水中的吸湿初始阶段符合Fick第二定律,吸湿率与吸湿时间的平方根(t1/2)成线性关系,正交叠层碳纤维复合材料的吸湿率始终高于单向碳纤维复合材料。湿热环境下碳纤维复合材料力学性能下降,尤其是层间剪切强度下降最大,经71±5℃水中浸泡336h后,本研究中的单向和叠层碳纤维复合材料70℃温度下层间剪切强度保持率分别为74.30%和57.20%。碳纤维复合材料的失效包括裂纹扩展、基体开裂、界面脱粘、层间分层、纤维断裂等五种破坏模式,尽管温度对断口微观形貌影响较小,但是湿度和湿热对界面粘结效果造成较大影响,导致界面容易脱粘,拔出纤维表面较光滑,树脂上留下的孔洞和凹槽也较光滑,表明界面摩擦力和剪切应力降低。