热氧老化对三维四向编织碳/环氧复合材料压缩性能的影响

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先进聚合物基复合材料,因其出色的比强度、比刚度以及其灵活的可设计性等一系列优点,广泛应用于航空航天飞行器结构。但是,碳纤维增强树脂基复合材料作为航空航天结构件,在使用过程中多数要遭受热氧环境的考验,并且会遭遇压缩载荷作用,因而复合材料高温老化后的压缩性能在实际中的应用尤其重要。本课题正是基于这一事实,主要研究了不同老化温度和不同老化时间对树脂基三维四向编织和层合复合材料压缩性能的影响规律。  选取了四个温度(80℃、100℃、120℃、140℃)对环氧基树脂及其复合材料做持续168h、360h、720h、1200h的热空气老化实验,得到如下结论:  (1)浇注体X射线光电子能谱(xps)测试结果及外观形貌表明:随着时间的延长,浇注体表面O元素含量增加,基体表面被氧化,发生了化学老化。  (2)在不同老化温度下,两种复合材料的单位面积失重均随老化时间的延长而下降,并且温度越高,其单位面积失重下降越快,相同老化条件下,三维四向编织复合材料的单位面积失重要小于层合复合材料。  (3)对老化前后三维编织和层合复合材料的横截面进行了观察,研究发现,在垂直于纤维表面都有微裂纹产生,并且随着老化温度的升高以及老化时间的延长,微裂纹数目增加,开口变深,而在平行于纤维表面基本没有微裂纹产生。  (4)利用DMA对两种不同结构的复合材料的玻璃化转变温度进行测试。结果表明,在低于浇注体Tg温度(80℃、100℃)下老化时,随着老化时间的延长,两种复合材料的Tg均先上升再下降。而在接近或者大于浇注体Tg温度(120℃、140℃)下老化时,两种复合材料的Tg从老化开始就随着老化时间的延长而下降,并且在相同老化条件下,编织复合材料的Tg大于层合复合材料。  (5)静态力学性能测试结果表明:在不同老化温度下,随着老化时间的增加,两种复合材料的压缩强度保留率都呈指数规律下降,且温度越高强度下降越明显,在相同老化条件下,三维四向编织复合材料的压缩强度保留率要大于层合复合材料。  (6)对两种复合材料压缩断裂后的断面进行观察,结果表明加速热老化后纤维和基体间的界面性能下降。SEM显示随着老化时间的延长,纤维表面粘附的树脂减少,纤维之间有缝隙产生,纤维与树脂剥离,且随着老化温度的升高界面破坏越来越严重。
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