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湿热环境下国产碳纤维复合材料的界面性能演化规律研究.pdf

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湿热 环境 国产 碳纤维 复合材料 界面 性能 演化 规律 研究
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中 图 分 类 号 : TB332 论 文 编 号 : 10006BY0801110 博 士 学 位 论 文 湿 热 环 境 下 国 产 碳 纤 维 复 合 材 料的 界 面 性 能 演 化 规 律 研 究 作 者 姓 名 罗 云 烽 学 科 专 业 材 料 学 指 导 教 师 杜 善 义 院 士 肇 研 教 授 培 养 院 系 材 料 科 学 与 工 程 学 院 Study on hygrothermal environment effect on evolution of interphase properties of domestic carbon fiber composites A Dissertation Submitted for the Degree of Doctor of Philosophy Candidate: Luo Yunfeng Supervisor: Academician Du Shanyi Associate Supervisor: Prof. Zhao Yan School of Material Science & Engineering Beihang University, Beijing, China 中 图 分 类 号 : TB332 论 文 编 号 : 10006BY0801110 博 士 学 位 论 文 湿 热 环 境 下 国 产 碳 纤 维 复 合 材 料 的 界 面 性 能 演 化 规 律 研 究 作 者 姓 名 罗 云 烽 申 请 学 位 级 别 工 学 博 士 指 导 教 师 姓 名 杜 善 义 职 称 院 士 副 导 师 姓 名 肇 研 职 称 教 授 学 科 专 业 材 料 学 研 究 方 向 聚 合 物 基 复 合 材 料 学 习 时 间 自 年 月 日 起 至 年 月 日 止 论 文 提 交 日 期 年 月 日 论 文 答 辩 日 期 年 月 日 学 位 授 予 单 位 北 京 航 空 航 天 大 学 学 位 授 予 日 期 年 月 日 关 于 学 位 论 文 的 独 创 性 声 明 本 人 郑 重 声 明 : 所 呈 交 的 论 文 是 本 人 在 指 导 教 师 指 导 下 独 立 进 行 研 究 工 作 所 取 得 的成 果 , 论 文 中 有 关 资 料 和 数 据 是 实 事 求 是 的 。 尽 我 所 知 , 除 文 中 已 经 加 以 标 注 和 致 谢 外 ,本 论 文 不 包 含 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 的 研 究 成 果 , 也 不 包 含 本 人 或 他 人 为 获 得 北 京 航 空航 天 大 学 或 其 它 教 育 机 构 的 学 位 或 学 历 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 研究 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论 文 中 作 出 了 明 确 的 说 明 。 若 有 不 实 之 处 , 本 人 愿 意 承 担 相 关 法 律 责 任 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 日 期 : 年 月 日 学 位 论 文 使 用 授 权 书 本 人 完 全 同 意 北 京 航 空 航 天 大 学 有 权 使 用 本 学 位 论 文 ( 包 括 但 不 限 于 其 印 刷 版 和 电子 版 ) , 使 用 方 式 包 括 但 不 限 于 : 保 留 学 位 论 文 , 按 规 定 向 国 家 有 关 部 门 ( 机 构 ) 送 交学 位 论 文 , 以 学 术 交 流 为 目 的 赠 送 和 交 换 学 位 论 文 , 允 许 学 位 论 文 被 查 阅 、 借 阅 和 复 印 ,将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 , 采 用 影 印 、 缩 印 或 其 他 复 制 手段 保 存 学 位 论 文 。 保 密 学 位 论 文 在 解 密 后 的 使 用 授 权 同 上 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 日 期 : 年 月 日 指 导 教 师 签 名 : 日 期 : 年 月 日 i 摘 要 碳 纤 维 复 合 材 料 以 其 优 异 的 力 学 性 能 而 被 广 泛 应 用 于 航 空 飞 行 器 结 构 件 上 , 但 航 空飞 行 器 在 服 役 期 间 所 经 历 的 环 境 极 其 复 杂 , 其 飞 行 环 境 会 发 生 温 度 和 湿 度 的 周 期 性 改变 , 而 在 整 个 服 役 期 间 会 经 历 成 千 上 万 次 这 种 循 环 湿 热 过 程 。 因 此 , 系 统 研 究 湿 热 环 境下 复 合 材 料 的 性 能 退 化 具 有 重 要 的 实 际 意 义 。 本 文 针 对 国 产 碳 纤 维 CCF300/BMI复 合 材 料 在 湿 热 环 境 下 的 界 面 性 能 开 展 对 比 研究 , 以 揭 示 碳 纤 维 /双 马 复 合 材 料 在 湿 热 环 境 下 的 界 面 性 能 演 变 规 律 和 变 化 机 理 , 指 导 国产 碳 纤 维 复 合 材 料 的 性 能 改 进 , 为 其 在 航 空 飞 行 器 结 构 上 的 应 用 奠 定 基 础 。 首 先 , 分 别 针 对 不 同 界 面 组 成 的 国 产 碳 纤 维 CCF300增 强 BMI树 脂 复 合 材 料 在 湿 热 环境 下 的 吸 /脱 湿 行 为 开 展 研 究 , 确 定 了 其 饱 和 吸 湿 量 和 循 环 吸 湿 周 期 , 在 此 基 础 上 研 究 了其 循 环 吸 /脱 湿 行 为 。 研 究 结 果 显 示 , 碳 纤 维 复 合 材 料 在 湿 热 环 境 下 的 吸 /脱 湿 行 为 与 界面 性 能 密 切 相 关 , 不 同 的 上 浆 剂 ( 界 面 组 成 ) 将 导 致 饱 和 吸 湿 量 产 生 较 大 差 异 。 其 次 , 采 用 宏 观 短 梁 剪 切 试 验 并 结 合 扫 描 电 镜 微 观 形 貌 观 察 研 究 了 不 同 界 面 组 成 的碳 纤 维 复 合 材 料 在 湿 热 环 境 下 的 层 间 剪 切 强 度 和 纤 维 /基 体 界 面 结 合 状 态 , 分 别 考 察 了 吸湿 时 间 、 湿 热 循 环 周 期 、 脱 湿 温 度 和 湿 热 处 理 历 史 对 碳 纤 维 复 合 材 料 层 间 剪 切 强 度 的 影响 规 律 , 揭 示 了 不 同 上 浆 剂 ( 界 面 组 成 ) 的 碳 纤 维 复 合 材 料 在 湿 热 环 境 下 的 层 间 剪 切 强度 差 异 , 并 分 别 采 用 Phani-Bose水 浸 增 塑 模 型 和 Gunyaev自 然 老 化 寿 命 预 测 模 型 对 复 合 材料 在 湿 热 环 境 下 的 性 能 退 化 进 行 了 预 测 , 确 定 了 复 合 材 料 在 湿 热 环 境 下 存 在 “ 饱 和 ”损 伤 状 态 。 采 用 微 滴 脱 粘 这 一 微 观 界 面 性 能 评 价 手 段 表 征 了 国 产 碳 纤 维 CCF300/5405复 合 材 料在 循 环 湿 热 环 境 下 的 纤 维 /基 体 界 面 剪 切 强 度 , 并 在 实 验 基 础 上 以 通 用 有 限 元 软 件ABAQUS为 平 台 , 基 于 Carroll’s理 论 和 内 聚 力 界 面 单 元 失 效 准 则 与 损 伤 演 化 模 型 建 立 了微 滴 脱 粘 实 验 数 值 模 拟 技 术 , 分 析 得 到 了 CCF300/5405复 合 材 料 在 自 然 干 态 下 和 湿 热 环境 下 的 界 面 性 能 参 数 和 微 滴 脱 粘 实 验 过 程 中 的 界 面 剪 应 力 分 布 形 式 , 并 对 微 滴 脱 粘 实 验中 测 试 数 据 离 散 性 较 大 的 原 因 进 行 了 模 拟 , 最 后 考 虑 了 热 残 余 应 力 对 界 面 剪 切 强 度 的 影响 。 最 后 , 基 于 Linde关 于 横 观 各 向 同 性 层 合 板 的 失 效 准 则 和 损 伤 演 化 模 型 ( 忽 略 复 合材 料 中 的 纤 维 /基 体 界 面 ) , 并 引 入 内 聚 力 界 面 单 元 失 效 与 损 伤 演 化 模 型 模 拟 复 合 材 料 层间 分 层 , 建 立 的 复 合 材 料 短 梁 剪 切 试 验 数 值 模 型 可 以 较 好 地 模 拟 CCF300(J4)/5405 复 合ii 材 料 湿 热 处 理 前 后 的 层 间 剪 切 强 度 和 损 伤 演 化 过 程 , 结 果 显 示 短 梁 剪 切 试 验 中 层 间 分 层失 效 和 受 基 体 性 能 影 响 较 敏 感 的 横 向 失 效 首 先 发 生 , 但 这 两 者 的 失 效 并 不 致 命 , 失 效 后复 合 材 料 还 能 承 担 一 定 载 荷 , 而 沿 着 纤 维 方 向 的 纵 向 失 效 则 是 致 命 的 。 另 外 研 究 结 果 发现 , 单 向 复 合 材 料 层 合 板 的 短 梁 剪 切 最 大 失 效 载 荷 与 受 基 体 性 能 控 制 敏 感 的 纵 向 压 缩 强度 密 切 相 关 , 验 证 了 湿 热 循 环 过 程 中 脱 湿 前 后 短 梁 剪 切 实 验 结 果 ILSS 的 变 化 规 律 。 关 键 词 : 碳 纤 维 , 复 合 材 料 , 湿 热 环 境 , 界 面 , 有 限 元 iii Abstract Carbon fiber reinforced composites are widely used in aerospace components for their excellent mechanical properties, but the inflight environments of aircraft are very complicated. The realistic inflights involve periodic changes in both humidity and temperature, and the aircraft will experience thousands of cycles of hot and humid environment during the whole service life. Therefore, it is very important to research systematically the performance degradation of composites in hygrothermal environment. In this paper, the interphase properties of domestic carbon fiber/BMI composites in hygrothermal environment was investigated to reveal the evolution trend and change mechanism of composites interphase properties in hygrothermal environment. The investigation results will be used to guide the properties improvement of domestic carbon fiber reinforced composites and lay a foundation for their application in aerospace components. Firstly, the water absorption and/or desorption behavior two kinds of domestic carbon fiber CCF300 sized with different interface compositions reinforced two BMI matrixcomposites in hygrothermal environment was investigated, respectively, to determine the maximum moisture uptake and period of cyclical hygrothermal environment. On this basis, the cyclical absorption-desorption behavior was researched. The results show that the absorption-desorption behavior of CFRP in hygrothermal environment is closely related to fiber/matrix interphase properties and the different sizing (interphase composition) will result in a great difference in the saturated moisture. Secondly, the interlaminar shear strength (ILSS) and the fiber/matrix interface adhesion state of composites in hygrothermal environment were characterized with short beam shear tests and scanning electron microscope (SEM), respectively. The effects of water-immersion time, cyclical hygrothermal period, desorption temperature and humid-hot treatment history on ILSS were investigated to reveal the difference in ILSS of carbon fibers sized with different sizing (interphase composition) reinforced composites in hygrothermal environment, and the Phani-Bose model and Gunyaev model were used to predict the performance degradation of composites in hygrothermal environment. Then, the ― saturated‖ damage state existed in composites was determined. The fiber/matrix interfacial shear strength of CCF300/5405 composites in cyclical hygrothermal environment was characterized with microbond test. Based on the Carroll’s theory and the failure criteria and damage evolution of cohesive interface element, the iv numerical simulation technology of microbond virtual experiment was established on the ABAQUS finite element software platform. By the numerical simulation, the interphase properties parameters of CCF300/5405 composites in original state and hygrothermal environment were obtained, respectively. Meanwhile, the cause of great scatter in microbond experiment result and the effect of heat residual stress on interfacial shear strength were analyzed with finite element model. Finally, based on the Linde’ s theory about the failure criteria and damage evolution model of transversely isotropic laminate (ignored fiber/matrix interface), and the failure criteria and damage evolution of cohesive interface element were used to simulate interlaminar delamination to establish the numerical simulation model of short beam shear virtual experiment. The ILSS and damage evolution process simulated by finite model are in good agreement with the experiment results from CCF300/5405 composites before and after hygrothermal ageing. Simulation results revealed that the interlaminar delamination failure and the transverse failure which is sensitive to matrix properties occurred before longitudinal failure, but the formers is a nonfatal failure mode, since the laminate can still carry an increasing load until longitudinal fiber failure which is fatal failure mode. On other hand, the maximum failure load of unidirectional composites laminate under short beam load is closely related to longitudinal compression strength which is also sensitive to matrix properties. It confirmed the change trend of ILSS from short beam shear experiment of composites before and after moisture-desorption during hygrothermal ageing. Keywords: Carbon fiber, Composites, Hygrothermal, Interphase, Finite element v 目 录 第 一 章 绪 论 ............................................................................................................................ 1 1.1碳 纤 维 及 其 复 合 材 料 界 面 ........................................................................................... 1 1.1.1 碳 纤 维 及 其 复 合 材 料 ........................................................................................................... 1 1.1.2 碳 纤 维 复 合 材 料 的 界 面 ....................................................................................................... 3 1.2复 合 材 料 界 面 性 能 表 征 与 评 价 ................................................................................... 6 1.2.1 复 合 材 料 界 面 的 物 理 化 学 性 能 表 征 ................................................................................... 6 1.2.2 复 合 材 料 界 面 的 力 学 性 能 表 征 ........................................................................................... 8 1.2.3 复 合 材 料 界 面 力 学 理 论 发 展 ............................................................................................. 14 1.3 湿 热 环 境 下 碳 纤 维 复 合 材 料 的 界 面 性 能 ................................................................ 16 1.4 论 文 研 究 背 景 ............................................................................................................ 19 1.5 论 文 主 要 研 究 内 容 及 结 构 安 排 ................................................................................ 19 1.5.1 主 要 研 究 内 容 ..................................................................................................................... 19 1.5.2 论 文 结 构 安 排 ..................................................................................................................... 20 1.6 论 文 的 创 新 与 特 色 .................................................................................................... 20 第 二 章 湿 热 环 境 下 国 产 碳 纤 维 复 合 材 料 的 吸 /脱 湿 行 为 研 究 ........................................... 22 2.1复 合 材 料 的 吸 湿 机 理 及 吸 湿 模 型 ............................................................................. 22 2.1.1 复 合 材 料 的 吸 湿 机 理 ......................................................................................................... 22 2.1.2 复 合 材 料 的 吸 湿 模 型 ......................................................................................................... 23 2.2 原 材 料 及 实 验 ............................................................................................................ 25 2.2.1 原 材 料 ................................................................................................................................. 25 2.2.2 实 验 条 件 ............................................................................................................................. 26 2.3 碳 纤 维 复 合 材 料 的 长 时 间 水 浸 吸 湿 行 为 ................................................................ 26 2.3.1 碳 纤 维 /5405 复 合 材 料 的 水 浸 吸 湿 规 律 ........................................................................... 26 2.3.2 碳 纤 维 /QY8911 复 合 材 料 的 水 浸 吸 湿 规 律 ..................................................................... 31 2.4 碳 纤 维 复 合 材 料 的 循 环 吸 /脱 湿 行 为 ....................................................................... 34 2.4.1 碳 纤 维 /5405 复 合 材 料 的 循 环 吸 /脱 湿 行 为 ...................................................................... 34 2.4.2 碳 纤 维 /QY8911 复 合 材 料 的 循 环 吸 /脱 湿 行 为 ................................................................ 43 2.4.3 碳 纤 维 /BMI复 合 材 料 的 循 环 吸 湿 机 理 ........................................................................... 50 2.5 本 章 小 结 .................................................................................................................... 53 第 三 章 湿 热 环 境 下 国 产 碳 纤 维 复 合 材 料 界 面 性 能 的 实 验 研 究 ........................................ 54 vi 3.1 原 材 料 及 实 验 ............................................................................................................ 54 3.1.1 原 材 料 ................................................................................................................................. 54 3.1.2 实 验 条 件 ............................................................................................................................. 54 3.1.3 测 试 表 征 ............................................................................................................................. 55 3.2 湿 热 环 境 对 碳 纤 维 复 合 材 料 的 短 梁 剪 切 强 度 的 影 响 规 律 .................................... 56 3.2.1 湿 热 处 理 时 间 对 碳 纤 维 复 合 材 料 ILSS 的 影 响 ............................................................... 56 3.2.2 循 环 湿 热 处 理 对 碳 纤 维 复 合 材 料 ILSS 的 影 响 ............................................................... 65 3.2.3 干 燥 温 度 对 碳 纤 维 复 合 材 料 脱 湿 后 的 ILSS 影 响 ........................................................... 72 3.2.4 湿 热 循 环 历 史 对 碳 纤 维 复 合 材 料 ILSS 的 影 响 ............................................................... 73 3.3 采 用 动 态 力 学 热 分 析 表 征 碳 纤 维 复 合 材 料 的 界 面 性 能 ........................................ 76 3.3.1 湿 热 处 理 时 间 对 碳 纤 维 复 合 材 料 动 态 力 学 性 能 的 影 响 ................................................. 77 3.3.2 循 环 湿 热 处 理 对 碳 纤 维 复 合 材 料 动 态 力 学 性 能 的 影 响 ................................................. 78 3.4 本 章 小 结 .................................................................................................................... 80 第 四 章 单 纤 维 复 合 材 料 体 系 界 面 性 能 的 实 验 研 究 与 数 值 分 析 ........................................ 82 4.1 单 纤 维 复 合 材 料 体 系 界 面 性 能 的 实 验 研 究 ............................................................ 82 4.1.1 微 滴 脱 粘 实 验 原 理 及 装 置 ................................................................................................. 82 4.1.2 湿 热 环 境 对 单 纤 维 复 合 材 料 体 系 界 面 性 能 的 影 响 ......................................................... 84 4.2 微 滴 脱 粘 过 程 数 值 分 析 的 几 何 模 型 建 立 ................................................................ 85 4.3 微 滴 脱 粘 过 程 的 有 限 元 模 型 .................................................................................... 87 4.3.1 ABAQUS 有 限 元 分 析 简 介 ................................................................................................ 87 4.3.2 界 面 内 聚 力 模 型 .................
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