（机械工程专业论文）高温固化碳纤维复合材料应用性能试验研究.pdf

南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 摘要 碳纤维增强树脂基复合材料是近年来发展起来的一类新型复合材料。具有比强度和比模量 高、耐高温性能好、耐疲劳性能优越等独特优点，因而获得了广泛应用和迅速发展，已经成为 航空航天结构的基本材料之一。 本文通过对碳纤维复合材料的拉伸、压缩、弯曲、层间剪切和纵横剪切等力学性能试验以 及i 型层间断裂韧性、开孔拉伸和开孔压缩等韧性性能试验研究，分析开孔、温度、湿度等因素 对高温固化碳纤维复合材料应用性能的影响。为碳纤维复合材料的设计提供实验依据。 碳纤维复合材料力学性能试验研究结果表明，复合材料拉伸强度随着温度升高而增大，随 着湿度增加而减小：压缩强度、层间剪切强度随着温度升高而减小，随着湿度增加而减小；温 度对拉伸强度、层间剪切强度影响较大，而湿度对压缩强度影响较大；当复合材料的纤维方向 和弯曲试验跨距方向相同时，复合材料的弯曲力学性能比较强；碳纤维复合材料纵横剪切性能 比较强，达到了复合材料结构设计的许用值。 碳纤维复合材料韧性性能试验研究结果表明，复合材料抗i 型层间断裂韧性能力都很强，具 有较高的抗分层损伤容限，更好的抗分层性能，并且都达到了材料的许用值：开孔大幅度降低 了复合材料的抗拉伸、压缩性能；温度对开孔拉伸强度影响很小；开孔压缩强度随着温度升高 而减小，湿度对开孔压缩强度影响很小。 关键词：碳纤维，复合材料，应用性能试验，测试与评价，数据分析 高温固化碳纤维复合材料应用性能试验研究 a b s t r a c t c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dr e s i nm 砌xc o m p o s i t ei sak i n do fn e wc o m p o s i t ei nr e c e my e a r s c o m p o s i t em a t e r i a l sh a v ca 位r a c t e de x t e l l s i v ea t t e n t i o n sa i l ds h o w nr 印i dd e v e l o p m e n tb e c a u s eo f t h e i re x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha l sh i g hs p e c i f i c s t r e n g t ha 1 1 ds p e c i f i cm o d u l u s ，g o o dh i g l l t e m p e 胁r er e s i s 协c e ，g o o df a t i g u er e s i s t a i l c ea j l ds 00 n ，a i l dt h e yh a v eb e c o m et h en e c e s s 叫 m a t e r i a li n r o s p a c ee n g m e e r i n g m e c h 锄i c a l p r o p e n i e si n c l u d i n gt e n s i l e ，c o m p r e s s i v e ，b e n d i n g ， i n t e r l 锄i n a rs h e a r ，t h e 1 0 n g i t u d i n a l - t m n s v e r s es h e a r 孤dt o u g h n e s sp r o p e r t i e si n c l u d i n gm o d e ii n t e r l 锄i n a r 疔a c t u r e t o u g h n e s s ，h o l es 仃e t c h ，h o l ec o m p r e s s i o no ft e m p e r a m r ec 嘶n go fc a r b o nf i b e rc o m p o s i t e s 、v e r e t e s t e d w ef o u i l dm a to p e n - h o l e ，t e m p e m m ea 1 1 dh u m i d 时h a v eag r e a ti n n u e n c eo n l ec o m p o s i t e s a p p l i c a t i o np e r f b m l a n c e t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t sw i l lh e l pt oi m p r 0 v et h ep e 响m 柚c eo f c o m p o s i t e s m e c h a i l i c a lp r o p e r t i e so fc a r b o nf i b e rc o m p o s i t et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt 1 1 et e i l s i l es 臼e n g ：t l lo ft l l e c o m p o s i t e sw 弱i m p r o v e dw i t l lt e m p e 咖r er i s i n gb u tw e a k e n e d 嬲t l l eh u m i d i 锣r i s i r 唱；c o m p r e s s i v e s 缸e n g t l l ，i n t e r l 锄i n a rs h e a rs 打e n g t l lw e r ew e a k e n e dw i t ht e m p e r a t u r er i s i n ga n dt l l eh u m i d i t yr i s i n g ； t e m p e r a t u r ea f f e c t e d t e n s i l es 臼r e n 舀h ，i n t e r l 锄i n a rs h e a rs 订e n 舀h 黟e a t l y ，w h i l e h 啪i d i 巧a 伍酏t c o m p r e s s i o ns t r e n 舀hg r e a t l y ；t h es 锄es p a nd i r e c t i o nw h e nt l l ef i b e rd i r e c t i o no ft 1 1 ec o m p o s i t e m a t e r i a la n db e n ds p e c i m e i l s ，廿l ec o m p o s i t eb e n d i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；v e r t i c a la l i dh o r i z o m a l s h e a ro fc a r b o n 纳e rc o m p o s i t ei sr e l a t i v e l ys 们n gp e 面瑚锄c e ，r e a c h i n gs t r u c t u r a lo fc o m p o s i t e d e s i 助a l l o w a b 】ev a l u e s t o u g h n e s sp e 0 咖a i l c e so f c a r b o nf i b e rc o m p o s i t et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p o s i t ea 1 1 t i - 锣p e ii n t e r l a m i n a rf t u i et o u g l l i l e s sc a p a b i l i t i e sa r es 仃o n g ，w i t hh i g hr e s i s t a j l c et od e l 锄i n a t i n gd 锄a g e t o l e r a n c ea i l db e 他rp e 响m a n c eo ft h ea m i - h i e r a r c h i c a l ，a n dh a v er e a c h e dt h ea l l o w a b l ev a l u e s ： o p e n i n gas i g n i f i c 锄tr e d u c t i o ni nt h ec o m p o s i t et e n s i l e ，c o m p r e s s i o np e r f o n l l a n c e ；t e m p e r a t u r eh a s l i t t l ee f f e c to nt h eh o l et e n s i l es 仃e n g t h ；h o l ec o m p r e s s i o ns 仃e n 舀hw a l sw e a k e n e dw i m t e m p e r a t u r e r i s i n g ，h u m i d i t yh 笛l i t t l ee f f e c to nt h eh 0 1 ec o m p r e s s i o ns t r e n g t h k e y w o r d s ： c a r b o nf i b e r s ， c o m p o s i t e s ，印p l i c a t i o np e 响皿a n c et e s t i n g ， t e s t i n ga i l d e v a l u a t i o n m e t h o d s ，d a t aa n a l y z i n g 高温固化碳纤维复合材料应用性能试验研究 图表清单 图2 1 拉伸性能测试9 图2 2 压缩性能测试。1 0 图2 3 复合材料拉伸力学性能测试数据的离散系数c 1 2 图2 4 复合材料干态时不同温度下的拉伸强度一1 2 图2 5 复合材料在9 3 时不同湿度下的拉伸强度1 3 图2 6 复合材料干态时不同温度下的拉伸模量1 4 图2 7 复合材料在9 3 时不同湿度下的拉伸模量1 4 图2 8 碳纤维增强复合材料拉伸性能测试载荷位移曲线1 5 图2 9 复合材料压缩力学性能测试数据的离散系数c 1 6 图2 1 0 复合材料干态时不同温度下的压缩强度1 7 图2 1 l 复合材料湿态时不同温度下的压缩强度1 7 图2 1 2 复合材料在9 3 时不同湿度下的压缩强度1 8 图2 1 3 碳纤维复合材料压缩性能测试载荷位移曲线1 9 图3 1 试验试样。2 2 图3 2 试样、加载压头和支座示意图2 2 图3 3 弯曲试验测试过程2 3 图3 4 不同试验条件下的层间剪切强度。2 5 图3 5 层间剪切载荷位移曲线2 6 图3 6a 组试样经向弯曲试验的载荷位移曲线2 6 图3 7b 组试样经向弯曲试验的载荷一位移曲线。2 7 图4 1 纵横剪切试样一3 0 图4 2 试样的几何形状及尺寸3 0 图4 3 纤维复合材料的纵横剪切示意图一31 图4 4 测试过程3 2 图4 5 剪切应力横向应变曲线3 3 图4 6 剪切应力- 轴向应变曲线3 3 图4 7 四种碳纤维复合材料纵横剪切强度一3 5 图4 8 四种碳纤维复合材料纵横剪切弹性模量3 5 图5 1 分层破坏形式一3 7 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 图5 2 双悬臂梁( d c b ) 试样3 9 图5 3d c b 测试过程一3 9 图5 4m c c 法计算层间断裂韧性值示意图4 l 图5 5a 组试样的载荷位移曲线。4 2 图5 6b 组试样的载荷位移曲线4 3 图5 7c 组试样的载荷位移曲线4 3 图5 8a 组试样的r 曲线4 4 图5 9b 组试样的r 曲线4 4 图5 1 0c 组试样的r 曲线4 5 图6 1 试验试样一4 7 图6 2 复合材料开孔拉伸试验试件破坏4 8 图6 3 复合材料开孔压缩试验试件破坏一4 9 图6 4 复合材料开孔拉伸试验力位移曲线4 9 图6 5 开孔复合材料干态拉伸强度图。5 0 图6 6 开孔复合材料9 3 度压缩强度51 图6 7 开孔复合材料湿态压缩强度。5 1 图6 8 开孔复合材料干态压缩强度一5 2 图6 9 未开孔与开孔复合材料拉伸强度。5 3 图6 1 0 未开孔与开孔复合材料压缩强度5 3 表3 1a 、b 两组材料的层间剪切性能2 4 表3 2 试样经、纬向弯曲试验结果2 7 表4 1a 组复合材料纵横剪切性能试验数据3 4 表4 2b 组复合材料纵横剪切性能试验数据3 4 表5 1 碳纤维复合材料层间断裂韧性数据一4 l 高温固化碳纤维复合材料应用性能试验研究 注释表 g i ci 型层间断裂韧性值吒r纵横剪切强度 q r 纵横剪切弹性模量 t 层间剪切强度 仃 弯曲强度 e e弯曲弹性模量 r 吒r 纵横剪切强度瓯r纵横剪切弹性模量 l 跨距 p “ 破坏前的最大力 彳 毛横截面积 f ? 帆 试验方向开孔极限拉伸强度 f d h c “ 开孔压缩破坏强度 仃f 拉伸强度 j 工 p t最大拉伸载荷么f拉伸试样横截面积 吼压缩强度p c最大压缩载荷 爿c 压缩试样横截面积 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 第一章绪论 1 1 复合材料的种类与用途 当今社会快速发展的先决条件和基础是材料，而新材料的出现则是社会发展进步的显著标 志。新材料技术已经成为当今社会工业中关键、重要的技术。此外，新材料技术一直也是全球 各个国家科学和技术发展中一个及其重要的步骤；现代社会以及今后很长的一段时间内，新材 料技术已经与工业技术、能源技术、生物技术成为全世界科技发展的高新技术：新材料的重要 发展方向是复合化，复合化也是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一。 复合材料具有比强度大和比刚度高、耐高温、耐腐蚀、可设计性好、抗疲劳性能好、出色 的韧性和弹性变形能力等优点，使得它的应用范围越来越广。现在，复合材料不仅应用在人造 卫星、载人航天飞船、大型飞机、卫星等航空航天技术中，而且随着它的生产和制造技术的不 断改良和完善，成本的大幅下降，它在民用工业中的发展已经获得越来越大的成功。在工业领 域例如：在船舶运输、陆上交通运输、机械工程、医学和生物工程、家用电器、建筑等行业中 都得到了越来越广泛的应用【1 1 。更重要的是，由于航空航天具有追求优越性能的特点，理所当 然的使其成为复合材料技术的试验和应用的领域；此外，当今复合材料技术的发展和应用促进 了航空航天的进步，同时航空航天的技术发展又推动了复合材料技术的不断前进。在航空航天 领域中，需求的材料更需要性能和稳定性的综合，而复合材料的应用不仅降低飞机机身重量， 而且还能很好地提升飞机结构的其它性能。复合材料作为2 1 世纪的主导材料，它的使用量已经 成为飞机先进性，乃至航空航天领域先进性的一个非常重要的标志；复合材料技术是世界强国 竞相发展的核心技术，同时也是我国重点发展领域【2 1 。材料是航空制造业的基础，航空制造业 与材料的设计和制造工艺关系非常密切，这一点尤其是体现在复合材料上。目前制造大型飞机、 火箭、航天飞行器等航空航天制造公司已经首选复合材料作为理想材料，而且许多飞机制造公 司又在复合材料的用量上展开竞争，目的是能够在激烈的民用飞机市场竞争中站稳脚跟f 3 1 。 2 0 世纪6 0 年代末，先进复合材料诞生了；而从2 0 世纪7 0 年代初开始，先进复合材料已 经应用到研制大型客机的历史进程中掣4 1 。此后，中国将研制大型飞机列入到本国的中长期科 技发展规划中去，为了确保研制大飞机的工作按计划加速推进，大型飞机研制的项目由中国政 府组建的大型客机公司具体管理运作，这引起了国内外的高度关注；而且安全性、经济性、舒 适性和环保性等是研制大型飞机突出强调的性能，为达到性能上的这种高要求，这就决定了大 型飞机的研制对复合材料的需求是非常迫切和必然的。 复合材料( c o m p o s i t em a t e r i a l s ) 是一种多相材料，可由金属材料、无机非金属材料和高分子 材料复合而成。采用物理或化学的方法，使两种或两种以上材料在相态与性能相互独立的形成 高温固化碳纤维复合材料应用性能试验研究 下共存于一体中，以达到提高材料的某些性能或互补其缺点和获得新的性能为目的的特种材料。 复合材料和常规材料有着完全不同的特点。复合材料通常由基体材料和增强材料两大组分构成， 复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类：组分材料之间具有明显的界面，宏观上呈现出 各向异性特性，是非均匀质的。基体材料和增强材料结合方式比较复杂，通常随着加工过程的 改变而改变。 复合材料按用途可分为结构复合材料和功能复合材料。按基体材料的不同可分为聚合物基 复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料：按增强材料的不同分为纤维增强复合材料、颗 粒增强复合材料、短切纤维增强复合材料；还有就是同物质复合的复合材料，如碳一碳复合材料。 其中，高温固化碳纤维增强复合材料以其比强度高、比模量大、可设计性好、抗疲劳性能好、 工艺性好等优点已经大量作为各类结构材料、功能材料被广泛的应用于各个领域1 5 】。 1 2 复合材料力学性能测试试验的研究现状及存在问题 1 2 1 国内外测试试验研究现状 测试和评价复合材料力学性能试验方法的标准与普通材料的情况不同。复合材料加工技术 和试验方法的标准的制定与使用并未经过长时间的社会实践和积累阶段。例如将普通材料的试 验标准称为滞后型，那么复合材料的试验标准称为超前型。因此，更需要对超前型的复合材料 标准进行认真的研究和制定【6 】。 在国际上，以美国的a s 和日本的j i s 标准为基础建立了一系列的复合材料力学性能测 试和评价的试验方法和标准，与此同时国际合作研究机构根据实际的使用情况和存在的问题进 行了多年很多阶段的研究。为实现在各种测试条件下获得复合材料力学性能的真实数据和试验 易于实行的目的，研究机构又对现行复合材料的力学性能测试标准和评价方法使用的范围、测 试方法、测试夹具、试样的形状和尺寸进行了反复修改与补充。同时，也奠定了复合材料力学 性能评价和测试方法的国际化基础。此外，1 9 9 2 年、1 9 9 4 年在德国，欧洲的一些国家召开了两 届欧洲复合材料的会议，这两次会议主要专门讨论了评价和测试复合材料力学性能的试验方法 和标准以及复合材料应用领域等问题，广泛的讨论和研究了从评价方法的基础研究到试验标准 的推广应用的进程，而且还提出了复合材料市场规模和试验方法标准化的国际合作规划和建议。 美国、日本、法国等国家于1 9 8 7 年起对复合材料力学性能测试的试验方法以及存在问题的改进 展开了巡回的合作研究，从而使复合材料测试与评价方法的研究与推广的进程变得更快了。 在我国，评价和测试复合材料力学性能的方法国家标准已经有很多，它们大多数是由材料 有关的专家和部门机构借鉴8 0 年代金属材料力学性能的评价和测试方法或参照国外复合材料 的标准制定的。但是，还有许多的试验标准还是有待于下一步的改进和完善。目前，我国质量 较差的产品依然很多，如产品的力学性能较低、产品的质量较差、产品的设计费用较高等问题 2 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 一直未得到根本的解决，进而导致产品的寿命较短以及原材料的浪费。现在，随着我国经济和 科学技术不断的发展，对我国的复合材料力学性能测试的试验方法的标准也提出了更新、更高 要求。 1 2 2 存在的问题 复合材料与普通材料相比，它需要测试的材料力学性能参数比较多。因此，每一种复合材 料的力学性能测试，都要相应的标准来实现。此外，复合材料力学性能的机理是非常复杂的， 影响性能机理的因素也非常多。不同的力学性能有不同的性能机理，而且许多复合材料还具有 这样那样的耦合效应，所有这些都影响着研究人员对复合材料力学性能的测试与评价，这也就 使得现有的测试与评价方法不能考虑到所有的影响因素，进而会造成较大的试验误差，以致不 能正确的指导产品的设计与生产，也难以保证产品的质量。因而，为提高复合材料应用的可靠 性、扩大复合材料的应用范围，要加强复合材料的力学性能试验和评价方法的研究，进而可以 完善试验和评价的标准。 1 2 3 解决的途径 迄今，关于复合材料力学性能测试评价，己有许多试验方法。其中试验方法有的比较简单， 有的比较复杂。简单的试验方法己经制定了相关标准：涉及复合材料固有复杂性的试验方法， 尚不成熟，有待于进一步研究。复合材料与常见的金属材料等普通材料相比，具有可设计、多 功能和高性能等特点：也有自身难以克服的缺点，但和普通材料有本质上的区别。其次，复合 材料的内部结构复杂，延伸性小，具有各向异性。正因为如此，在实际的试验过程中，复合材 料试样的破坏形式与期望的差别较大，很难产生理想的破坏形式，也就无法客观反映出复合材 料的真实力学性能。因而，在复合材料的开发和应用中，尤其在复合材料的设计中，合理的复 合材料力学性能测试评价和试验的方法很重要。此外，在优化加工工艺、分析组分材料性能对 复合材料整体性能的影响以及降低复合材料成本等方面，试验和评价也十分重要。为确立高性 能复合材料设计开发的方案，需要充分把握复合材料的力学性能，进而明确开发目标和即用材 料的差别。同时，也需要可靠真实的复合材料力学性能数据，目的是要根据使用条件和使用环 境准确地设计复合材料，而设计数据来源于可靠的评价和试验的方法。因而，确立合理的复合 材料力学性能试验和评价的方法，是正确地设计复合材料，确保复合材料的力学性能和使用质 量，扩大复合材料应用范围的重要课题。在制定复合材料力学性能的试验和评价标准时，为促 进复合材料产品的市场发展，应时刻保持与国际接轨，消除贸易上的技术障碍，有效地促进技 术交流和共享，使我国的测试标准更加规范，目的是将我国的标准化运作与国际化标准运作逐 步连接起来。试验方法的标准化具有重要的经济效益和社会效益，也是复合材料发展和应用中 必须解决的问题【7 引。 高温固化碳纤维复合材料应用性能试验研究 1 3 碳纤维复合材料的应用性能测试研究的意义 我国对高温固化碳纤维复合材料的研究时间还比较短，因此我国在大型飞机上应用复合材 料的技术还不够完善，与其他发达国家相比中国在该领域存在许多问题，并且还有较大差距。 本文对高温固化碳纤维复合材料应用性能进行测试及分析，提出应用在大型飞机上的高温固化 复合材料性能的相关建议。 碳纤维增强复合材料其抵抗板厚方向载荷的能力较弱，容易产生分层破坏；分层即层间脱 胶或开裂，这时其层间强度相对较弱，在使用过程中可能产生层间断裂，而层间断裂造成了层 合板结构强度和刚度的下降，这样在使用过程中会产生危险：此外，它还具有细观不均匀结构 的本质，使其性能不但具有各向异性的特点，在许多情况下，还具有各种耦合效应，或多或少 的限制了层合板复合材料的广泛应用；用在航空航天机械上的碳纤维复合材料经常受到冲击后 拉伸、弯曲、压缩等载荷的作用，尤其是在受低速冲击后会在碳纤维复合材料内部形成严重的 肉眼看不清的分层损伤，此时为了提高碳纤维复合材料的抗分层性能，因而必须要增加结构材 料的尺寸；一切可能的人为、自然环境和不可预知的因素都会对碳纤维复合材料形成冲击并且 都将可能在以后的使用中形成扩展的不可见分层，进而在飞行中可能会造成很严重的危害【9 ，l 们。 此外，机械连接是复合材料主承力结构中关键的连接方法。然而使用机械连接，就需要在 复合材料上打孔。开孔问题是复合材料应用与设计中不可回避的问趔1 1 。1 引。对于一些碳纤维复 合材料，开孔后会产生部分碳纤维被完全切断的现象，产生应力集中，这对结构强度的影响明 显高于金属结构打孔时产生的应力集中现象，另外我们在进行工程计算时，通常将包含有多层 碳纤维局部断裂的损伤区简化成相应的孔来进行计算。所以，对带孔碳纤维复合材料进行孔的 拉伸与压缩性能分析具有较重要的意义【1 4 1 。如今，复合材料已经广泛地应用于各种重要工程结 构中，但是它对外物低速冲击损伤十分敏感，容易产生无法通过目视来检测的内部损伤，这些 内部损伤将使复合材料层合板结构的力学性能严重退化，对复合材料的结构的完整性构成威胁 【l5 1 。由于冲击后复合材料的压缩性能与铺层的材料、厚度、顺序、试件的边界条件和冲击物的 条件等多种因素有关，因此复合材料的冲击损伤及其冲击后压缩( c a i ) 强度的实验方法，多年来 一直是许多材料研究者们关注的中心i l6 1 。除此以外，复合材料的挤压强度，i 型层间断裂韧性， i i 型层间断裂韧性等韧性性能也是我们所需要了解的材料的重要性能。 总之，通过高温固化碳纤维复合材料力学性能测试研究，希望能找到如何提高高温固化碳 纤维复合材料应用性能方法，是发挥和使用高温固化碳纤维复合材料其它强度功能所必须要解 决的问题，同时对碳纤维复合材料的应用与研发有着重要意义。 4 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 1 4 国内外研究进展 美国航空航天局( n a s a ) 于1 9 8 8 年提出了先进复合材料技术研究计划，即a c t 计划 ( a d v a n c e dc o m p o s i t e st e c h n o l o g yp r o 铲锄) 州，就开发新复合材料及其工艺技术、复合材料结 构力学分析方法，以及设计概念与制造方法进行了研究。 w l e e 等l l8 】对玻璃环氧纤维增强的复合材料板形试件进行了拉伸性能测试，测得了材料轴 向和横向拉伸模量，该试验的主要目的是为了验证北京航空航天大学航空科学与工程学院提出 的力学模型。在该模型中，采用b 样条曲线对复合材料进行了建模，用均匀化方法预测的复合 材料在纵横两个方向上的弹性模量与试验结果符合得较好。 o c a l m e 等【1 9 。2 0 】通过对碳环氧复合材料圆柱环在侧压力下的静力破坏试验，观测到破坏 是从柱体中间的外侧面开始发生的，裂纹从纤维之间的缺陷处沿厚度方向扩展，并导致出现分 层破坏，外表面的纱线会被拉断。整个破坏行为是渐进的，其载荷位移曲线表现为弹塑性曲线。 除了破坏性复合材料测试以外，国外还常用无损检测方法，如超声检测法、x 射线检验法、计算 机层析照相检测法、微波检测法、超声检测法和声发射检测法等【2 l 】。 2 0 0 4 年，陕西非金属材料工艺研究所研究了二维c c ( 2 d c c ) 复合材料在高温下层剪强 度、弯曲强度和模量、热导率和线膨胀系数等物理性能的变化规律【2 2 1 。2 0 0 6 年，西北工业大学 超高温结构复合材料国防科技重点实验室采用液相浸渍还原法将n i 渗入c si c 复合材料，用 s e m 、x r d 技术分析材料的微观结构及组成。采用热膨胀仪和激光脉冲导热仪对材料的热膨 胀和热扩散性能进行研究【2 3 1 。2 0 0 8 年，南昌航空大学材料科学与工程学院结合固相烧结方法并 采用了添加不同含量的造孔剂从而制备出了4 种不同孔隙率的m 0 c 。合金试样。对制备的合金 试样，需要测试其热导率入及热膨胀系数。测试的结果表明，m 。c 。合金入值受到了孔隙率很 大的影响，即随孔隙率的增加，材料的热导率产生了急剧的下降：并且孔隙率在一定范围内，孔 隙率的增加会导致钼铜合金的平均热膨胀系数的增加，当孔隙率增大到一定的程度后，合金试 样的热膨胀系数出现了下降趋势1 2 4 1 。 北京航空材科研究院先进复合材料国防科技重点实验室探讨了销钉填充对开孔材料性能的 影响，针对一种铺层的t 3 0 0 5 4 0 5 复合材料，进行了试验研究，在试验的基础上，分析了填 充钉对复合材料开孔压缩强度的影响机理【2 5 1 。陆航驻哈尔滨地区军事代表室在2 0 0 9 年，对复 合材料开孔层合板应力集中情况进行了深入探讨，给出理论上分析计算复合材料开孔应力集中 的一般方法，并通过有限元分析软件n a s l r i 认n 对一典型开孔复合材料层合板进行有限元分析， 得出开孔复合材料应力集中较金属材料严重的结论。西北工业大学航空学院无人机特种技术重 点实验室大量试验研究了c s i c 复合材料带孔构件的压缩和拉伸性能，并且通过对破坏表面 的观察，分析这种复合材料压缩及拉伸的破坏及损伤的机理。该实验室的试验结果表明，构件 宽度d 和孔的直径的大小之比会对带孔复合材料的强度产生影响，该复合材料的拉伸表现完全 高温固化碳纤维复合材料应用性能试验研究 为非线性特性，而在压缩试验中，低应力时表现为线性，高应力时则表面为非线性的响应。通 过对破坏表面的观察可以发现，c s i c 开孔复合材料的压缩与拉伸时的破坏都是从孔的周围 开始的，破坏表面较为平整，破坏形式主要为基体的开裂以及纤维的断裂；压缩时，破坏的主 要表现形式为剪切断面，断面与破坏时作用力的方向并不平行，而是有一个夹角存在【2 7 1 。 北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系于1 9 9 9 年利用三维动态有限元模拟计算复合 材料层合板的低速冲击损伤的过程。采用了基体开裂判据和分层扩展判据，分类考虑不同的损 伤形式。通过修正损伤铺层材料的常数来模拟层板损伤所造成的局部刚度下降对冲击过程的影 响，讨论了接触定律在冲击损伤问题中的适用性，并结合实验结果给出适于严重冲击损伤层板 的卸载定理。模拟计算结果得到的低速冲击后各界面的分层损伤面积与实验结果吻合较好【2 8 3 0 1 。 2 0 0 2 年，西北工业大学对复合材料冲击试验中的冲头进行设计，为了得到尽可能详细的冲击过 程( 如冲击力的大小，作用点，试件受冲击正反面的响应，距离冲击点不同位置的冲击响应) ， 还采用了多个通道式的数据的采集系统。为了了解冲击以及冲击后压缩过程中的破坏载荷以及 对应的应力的分布，该实验室还进行了复合材料冲击后的压缩性能试验，试验中具体对不同的 冲击能量下的破坏，以及不同位置的响应进行记录分析【3 1 】。西北工业大学航空学院在2 0 0 8 年 针对低速冲击作用下的复合材料层合板，采用冲击接触定律、失效准则和材料性能退化技术， 建立了冲击的三维有限元模型，并且利用所建的模型对层合板的冲击过程进行分析【3 2 1 。 2 0 0 9 年，为了评价复合材料的层间断裂韧性性能，西北工业大学提出了使用拉伸的方法来 测试i i 型层间断裂韧性性能，针对该测试方法设计了包含铺层拼接区的分层破坏试验层合板。通 过该种拉伸试验，测试得了拼接区开裂和分层裂纹稳态扩展过程中的载荷与变形规律：层间破 坏具有i i 型断裂特征，且裂纹扩展比较稳定；并且，通过使用测试数据计算出断裂所需要的能 量，以临界能量释放率来表示层合板的i i 型层间断裂韧性【3 3 】。 1 5 本文研究的主要内容 采用某航空材料研究院研制生产的5 2 2 8 a 高温固化环氧树脂分别和五种不同织物 ( c c f 3 0 0 、c f 3 0 1 1 、c f 3 0 3 1 、c f 3 0 5 2 和u 3 1 6 0 ) 形式的碳纤维，依次进行成型作业、固化、 脱模、加工及修饰等成型工艺，制备出五种不同的高温固化碳纤维复合材料，即5 2 2 8 a c c f 3 0 0 、 5 2 2 8 a c f 3 0 1 l 、5 2 2 8 a c f 3 0 3 1 、5 2 2 8 a c f 3 0 5 2 和5 2 2 8 a u 3 1 6 0 。 高温固化碳纤维复合材料应用性能试验包括力学性能和韧性性能试验研究。力学性能试验 包括复合材料的拉伸、压缩、弯曲、层间剪切以及纵横剪切性能，韧性性能试验包括开孔拉伸、 开孔压缩、冲击后压缩强度、未开孔拉伸强度、未开孔压缩强度、挤压强度、边缘分层拉伸、i 型层间断裂韧性、i i 型层间断裂韧性。本文开展了力学性能和韧性性能的i 型层间断裂韧性、 开孔拉伸、开孔压缩试验。所有试验均在长春科新公司w d w 1 0 0 型电子式万能试验机上进行， 其载荷、位移和应变测量误差均小于1 。本文就是针对上述问题而展开设计和研究的，其主 6 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 要内容如下： 第二章温度和湿度对碳纤维复合材料力学性能影响的试验研究。本章通过测试 5 2 2 8 a c f 3 0 1 l 、5 2 2 8 a c f 3 0 3 1 、5 2 2 8 a c f 3 0 5 2 和5 2 2 8 a u 3 1 6 0 四种碳纤维复合材料在不同温 湿条件下的拉伸性能和压缩性能，研究温度和湿度对该复合材料拉伸性能和压缩性能的影响。 通过试验分析，得出对高温固化碳纤维复合材料的设计和应用有重要指导意义的结论。 第三章测试了碳纤维复合材料在常温干态、常温湿态、7 0 湿态3 种条件下层间剪切性能， 而弯曲性能的测试，全部是在常温干态下进行的。测试材料为5 2 2 8 a c f 3 0 5 2 和5 2 2 8 a u 3 1 6 0 两种。分析了碳纤维复合材料在不同湿热环境下的层间剪切性能，研究温度和湿度对碳纤维复 合材料基本力学性能的影响，还分析了碳纤维复合材料层间剪切的断裂机理；通过对弯曲性能 的测试分析发现，由于复合材料的各向异性的特性，测试结果分散性较大，但当纤维的方向和 弯曲试样的跨距方向相同时，碳纤维复合材料的弯曲力学性能比较强。 第四章通过“5 0 偏轴拉伸法分别测试和分析比较了在常温状态下，5 2 2 8 a c c f 3 0 0 、 5 2 2 8 f 3 0 1 l 、5 2 2 8 r c f 3 0 3 l 、5 2 2 8 刖c f 3 0 5 2 四种不同的碳纤维复合材料的剪切强度和弹性 模量。 第五章测试了5 2 2 8 a c c f 3 0 0 、5 2 2 8 c f 3 0 1 1 、5 2 2 8 a c f 3 0 3 1 三种不同的碳纤维复合材料 常温状态下的i 型层间断裂韧性，所有试样的分层扩展基本上都遵循缓慢稳定扩展的形式，得 出了碳纤维复合材料具有较强的抗分层扩展能力，简单地分析了i 型层间断裂韧性的机理。 第六章通过对五种不同碳纤维复合材料开孔后的拉伸、压缩性能试验，对这五种复合材料 的性能是否符合要求、能否投入实际使用等进行验证分析。通过实验得到的数据，分析开孔等 行为对复合材料的影响，揭示材料的破坏机理，并寻求复合材料的改进方案。 第七章对本文的研究内容进行了归纳和总结，给出了本文研究得出的一些结论，指出了下 一步工作的重点和方法。 7 高温固化碳纤维复合材料应用性能试验研究 第二章碳纤维复合材料拉伸和压缩性能试验研究 z 1 刖舌 碳纤维增强复合材料广泛用作大型结构和整体结构材料及耐高温抗蚀烧材料，已经成为继 铝合金、钛合金和钢之后最重要的航空航天结构材料之一。碳纤维复合材料应用到飞机上以后， 与普通金属材料相比，可以将飞机的重量减少1 5 3 0 。飞机在飞行过程中，应用于飞机结 构上的复合材料不仅要承受长时间复杂的疲劳载荷和承受意外冲击载荷，而且还要承受恶劣的 外界环境因素的考验，比如高温环境、高湿环境和高压坏境等。随着航空航天技术的不断发展， 飞机的性能越来越好，这对飞机结构的复合材料性能提出了更高的要求。尽管复合材料的力学 性能要比其他金属材料优良很多，但是大量的研究表明，很多因素都会对其力学性能有重大影 响，比如温度、湿度、紫外线等。对于碳纤维增强复合材料，温度和湿度对复合材料力学性能 的影响最为明显。碳纤维增强树脂基复合材料在水、温度及一些介质的协同作用下，其耐腐蚀 性能严重下降，导致其刚度和强度也明显下降。在高温环境下，碳纤维增强树脂基复合材料在 纤维树脂界面处会形成内应力，这是由于纤维与树脂基体的热膨胀系数之间存在差异；复合材 料在热水浸泡后会在纤维树脂界面处产生溶胀应力，这是由于树脂基体被浸泡后发生溶胀；而 且在高温高湿环境中，水分子或其它介质离子会扩散和渗透到复合材料的纤维树脂界面内，这 会使纤维树脂界面脱粘，从而促进碳纤维增强树脂基复合材料性能的降低【3 4 1 。因此，在碳纤维 增强树脂基复合材料的设计和制备过程中，必须考虑湿热这一重要环境因素对其力学性能的影 响，为碳纤维增强树脂基复合材料的应用提供重要保证。 拉伸和压缩性能是最基本的材料力学性能，其性能试验是确定材料规范和结构设计所需性 能数据的最基本的性能试验。本章通过试验分析四种高温固化碳纤维树脂基复合材料在不同湿 热环境下的拉伸和压缩力学性能，研究温度和湿度对复合材料拉伸强度和压缩强度的影响，为 高温固化碳纤维复合材料的设计提供重要的实验依据和理论基础。 2 2 试验部分 2 2 1 试验材料 用5 2 2 8 a c f 3 0 1 1 、5 2 2 8 a c f 3 0 3 1 、5 2 2 8 a c f 3 0 5 2 和5 2 2 8 a u 3 1 6 0 四种高温固化碳纤维复 合材料，按照标准，制作拉伸和压缩试样。将四种复合材料分别命名为复合材料1 、复合材料2 、 复合材料3 、复合材料4 。拉伸试样的尺寸为2 5 0 m m 2 5 m m 2 5 m m ( 长宽厚) ，形状为哑铃 状，试件两头粘有加强片；压缩试样的尺寸为：1 5 0 m m 1 2 m m 2 5 m m ( 长宽厚) 。 8 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 2 2 2 试验条件 试验环境条件室温干态( 2 4 。c 干态) ，相对湿度为( 5 0 士5 ) ；湿态( 7 1 5 水中浸泡 1 4 天) ；一5 5 、7 0 、9 3 、1 1 6 、1 3 2 ( 5 5 、7 0 、9 3 、1 1 6 、1 3 2 的环境中保 温至少1 5 m i n ) 。 2 2 3 试验方法 ( 1 ) 拉伸性能测试 高温固化碳纤维复合材料拉伸性能采用a s t md3 0 3 9 进行测试。复合材料拉伸性能试验条 件分别为一5 5 。c 干态、2 4 。c 干态、9 3 。c 干态、9 3 。c 湿态。对每种试验情况进行6 个试样的试 验，实验数据为6 个有效试件的平均值。碳纤维复合材料拉伸性能试验测试过程如图2 1 所示。 图2 1 拉伸性能测试 拉伸性能试验的校验说明为： a ) 除非缺陷是试验研究的变量，否则断在明显缺陷处的任何试样，不应该计算其极限性能 的值。 b ) 破坏应发生在试样的中间附近，如果有相当高比例的破坏发生在加强片或夹持端附近的 试样宽度范围内，则应重新检查力的引入方式。 拉伸性能试验的具体试验步骤如下： 1 ) 按规定检查试样外观。 2 ) 对于非大气环境试验，按照说明书或适用规范的要求对环境试验箱进行预热或预冷，然 后保温1 5 分钟左右。 3 ) 将试样编号，并测量工作段内任意三点的厚度和宽度，取算术平均值，单位为m m 。按 a s t md3 0 3 9 规定保证其测量精度。 4 ) 装夹试样，使试样的轴线与上下夹头中心线一致。 5 ) 如果还需要测定拉伸弹性模量时，在试样的工作段夹持引申计。 6 ) 以2m m m i n 的横梁移动速度对试样进行连续加载，同时记录载荷位移( 如果使用引伸 q 高温固化碳纤维复合材料应用性能试验研究 计，则是力应变) 数据，直到试样破坏。 7 ) 记录试样最大载荷、破坏模式和破坏区域。 试验完成后，通过试验机记录的试件破坏时最大载荷和试件破坏前的横截面积可以计算出 复合材料的拉伸强度，拉伸强度按公式( 2 1 ) 计算： q 2 鲁 沼， 式中：瓯为拉伸强度，a ；尸f 为试样破坏过程中最大的拉伸载荷，n ；彳，为试样断裂处原始 横截面积，m m 2 。 ( 2 ) 压缩性能测试 高温固化碳纤维复合材料压缩性能采用a s t md6 6 4 1 进行测试。复合材料压缩性能试验条 件分别为2 4 0