三維編織碳纖維-環(huán)氧樹脂基復合材料的濕熱殘余應力研究.pdf

1、三維編織碳纖維環(huán)氧樹脂基復合材料(C3D／EP)由復雜空間幾何結構的增強體和基體結合而成,克服了傳統(tǒng)層合復合材料沿厚度方向力學性能差、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、航天等領域得到了越來越廣泛的應用。但該復合材料在自然環(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、不同的溶脹量導致的濕熱殘余應力是主要的影響因素之一。針對于此,本文采用微Raman

2、光譜技術測試分析了C3D／EP復合材料的濕熱殘余應力場,同時,通過建立復合材料的整體模型并采用有限元分析軟件ABAQUS對其濕熱殘余應力場進行了模擬分析,為復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)氧樹脂復合材料進行吸濕試驗,吸濕實驗過程中采用微Raman光譜技術對C3D／EP復合材料的濕熱殘余應力進行測試表征。測試結果表明,隨著C3D／EP復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力由吸濕前的熱殘余壓應力逐漸轉變?yōu)闈駸崂瓚?且長期吸濕導致的殘余應力可以達到較高的水平；測試結果也表明,C3D／EP復合材料中不同方向上碳纖維沿軸向的應力變化差異較大。溫度對材料的濕致應力場也有明顯的影響,表現為試樣80℃高溫條件下濕熱殘余應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復合材料在T=37℃,RH=10

4、0％條件下的兩個重要吸濕參數:平衡吸濕量、水分擴散系數。所得估算值為:平衡吸濕量C*=0.93％,擴散系數D=9.6×10-4mm2／s,為驗證該估算方法的準確性,本研究采用有限元方法(FEA)對復合材料在所獲參數下的吸濕過程進行了模擬分析,結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復合材料的吸濕參數進行估計具有一定的準確性。
　　 最后,本研究采用ABAQUS有限元分析軟件對C3D／EP