孔隙对碳纤维环氧树脂复合材料疲劳性能的影响研究

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随着科技的发展,碳纤维复合材料(CFRP)以其优异的比强度、比模量、耐疲劳、抗冲击、工艺性能良好及具有可设计性等特点逐渐成为航空航天领域重要的结构材料。而且纤维增强复合材料的疲劳性能对应用具有重要影响。但随着这种复合材料的广泛应用,由于材料存在耐湿热环境稳定性差等缺点、许多和材料有关的强度问题、复合材料结构的疲劳、耐久性问题,材料结构的内部孔隙缺陷不易控制等问题,限制了CFRP在航空航天领域中的应用。孔隙是复合材料最常见的微小缺陷。孔隙率与其复合材料的性能有着密切的关系,通常孔隙率越高,抗疲劳能力越低,对水的渗透和大气的作用越敏感。本文整理归纳了国内外有关孔隙及复合材料疲劳性能的研究概况;分析了不同的孔隙率对复合材料弯曲强度、弯曲疲劳和弯曲剩余强度的影响;探讨了常温、湿热和脱湿环境对材料弯曲强度和弯曲疲劳性能的影响规律;通过材料表观状况、力学性能、微观结构的变化评价孔隙率对疲劳性能的影响。本研究试验结果表明:在常温环境下,随着孔隙率的增加,最大应力的下降幅度逐渐增加,疲劳循环次数也在不断降低,孔隙率对疲劳强度的影响比对静态的影响要大;在湿热环境下,最大吸湿量随着孔隙率的增加不断增大,孔隙率是决定复合材料吸湿特征的重要因素,材料对吸湿的敏感性也决定于孔隙的形状及分布和基体材料的亲水性。随着吸湿时间的增加,疲劳强度随着孔隙率的增加而降低,孔隙率对疲劳性能的影响与孔隙的临界尺寸和形状位于高应力区域是相关的;在脱湿环境下,随着孔隙率的增加,弯曲疲劳剩余强度逐渐降低,当复合材料吸湿后重新干燥,因吸湿而改变的力学性能是部分可逆的。
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