三维编织复合材料是制备复杂外形轻质高强工程结构的基本材料,大气环境热老化现象和由此导致的强度降解是编织复合材料实际使用过程中无法避免的问题。揭示编织复合材料热氧老化效应和强度降解机理,对复合材料工程结构耐久性、安全性设计和寿命预估具有重要意义。本文旨在发现碳纤维/环氧树脂三维编织复合材料热氧老化前后表面形貌和压缩性质变化规律:采用实验测试和细观结构层面有限元分析方法,研究老化温度、暴露时间对压缩强度降解规律的影响,揭示编织复合材料面外压缩性质热氧老化机理,为复合材料在大气热环境中长期服役设计奠定基础。论文主要内容框架是:(1)编织复合材料和环氧树脂热氧老化处理。根据材料DMA热机械响应设定五档老化温度:90、110、120、130和180℃,老化时间分别为1、2、4、8、16天。利用电热鼓风烘箱对材料进行恒温老化处理,设备可以与外界进行空气交换,保证老化过程中氧气充足供应。(2)编织复合材料及环氧树脂老化前后性质变化实验表征。利用光学显微镜、电子扫描显微镜、白光干涉仪等表征材料老化前后颜色及形貌变化;利用全反射傅里叶红外光谱仪分析基体材料老化前后化学基团变化;利用MTS-810.23材料试验系统测试编织材料及环氧树脂老化前后宏观准静态压缩性能;利用纳米压痕试验仪表征树脂基体老化后氧化层局部力学性质差异。(3)建立细观有限元模型,探讨热氧老化处理对三维编织复合材料准静态面外压缩性质影响。基于材料老化前后实验结果,分别建立有限元均质模型、分层模型、基体收缩二步法模型,从表面氧化层影响、老化温度效应、基体收缩作用三方面揭示编织复合材料压缩性质热氧老化降解机理。研究发现:(1)环氧树脂热氧老化过程中,同时存在后固化增强和热氧降解两种作用。老化温度和暴露时间对树脂压缩性质变化影响显著。当老化温度较低或暴露时间较短时,后固化作用主导树脂压缩性质增强;老化温度较高、暴露时间较长时,热氧降解成为影响树脂压缩性质的主要因素。同时,树脂氧化反应仅在材料表层发生,老化后期树脂氧化层厚度逐渐趋向定值。(2)由于碳纤维耐热氧稳定性较好,三维编织复合材料热氧老化性质变化是环氧树脂基体和纱线/基体界面共同作用的结果。老化温度对复合材料热氧降解机理影响显著。老化温度较低时(≤130℃),基体控制复合材料热氧老化进程,编织复合材料准静态压缩性质变化规律与环氧树脂基体基本一致;较高老化温度(180℃)会引起纱线/基体界面开裂,基体老化降解和界面性质弱化共同作用,导致高温老化后期编织复合材料压缩性质急剧恶化。(3)树脂基体表面氧化层局部性质差异对编织复合材料准静态压缩性质影响较小。纳米压痕测试结果发现环氧树脂老化后力学性质由表及里呈梯度分布:表面氧化层模量最高,与暴露表面距离越大,树脂模量越低,中心未氧化区域模量最低且基本趋于一致。“均质模型”与“分层模型”模拟结果对比证实基体氧化表层局部性质差异对编织材料整体应力-应变响应及材料内部应力分布影响较小,“均质模型”可简单、有效模拟三维编织复合材料老化后主要力学性质特征。(4)基于“当量温差法”及白光干涉实验结果所建立的“二步法”有限元模拟方案可有效模拟热氧老化后编织复合材料表面形貌特征,基本还原材料老化后实际受载状态。基体表面氧化收缩引起的纱线/基体界面开裂是三维编织复合材料热氧老化后期主要破坏模式。界面破坏导致应力由基体向纱线传递过程受阻,使编织纱两端应力水平远低于未老化试样,编织增强体承担总应力减小,复合材料整体压缩性能随之下降。树脂基体热氧降解和表面界面开裂共同导致编织复合材料热氧环境中准静态面外压缩性质不断下降。本研究阐明了老化温度、暴露时间对三维编织复合材料面外压缩性质影响规律,从基体材料局部性质差异、氧化收缩、纱线/基体界面破坏等方面揭示了大气环境热老化过程中复合材料准静态压缩性质降解机理,对编织复合材料在热氧环境长期服役使用的组分材料选择、结构设计和工程制造具有重要意义。