【摘 要】
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纤维增强树脂基复合材料具有很多优点因此被广泛应用于各个工业领域,但是其环境耐久性是其在应用中面临的一个重要挑战。高湿度、紫外线辐射和温度变化等环境会导致聚合物材料的性能发生严重下降,因此需对树脂基复合材料在各种环境下的长期力学性能进行评估,以确保其在使用寿命内足够的安全可靠。本文首先研究了树脂基复合材料的吸湿和循环吸脱湿行为,在此基础上研究了复合材料的湿热老化规律,然后对它们的自然老化规律以及实验
【基金项目】
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国家自然科学基金（11872205、11272147）； 江苏省研究生教育创新计划基金,树脂基复合材料湿热及盐雾环境下吸湿老化性能研究（江苏省研究生创新计划,项目编号:KYLX160311）； 江苏省高等学校重点学科建设基金； 国家重点实验室开放基金（MCMS-0218G01）；
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纤维增强树脂基复合材料具有很多优点因此被广泛应用于各个工业领域,但是其环境耐久性是其在应用中面临的一个重要挑战。高湿度、紫外线辐射和温度变化等环境会导致聚合物材料的性能发生严重下降,因此需对树脂基复合材料在各种环境下的长期力学性能进行评估,以确保其在使用寿命内足够的安全可靠。本文首先研究了树脂基复合材料的吸湿和循环吸脱湿行为,在此基础上研究了复合材料的湿热老化规律,然后对它们的自然老化规律以及实验室加速老化方法进行了探究。论文的主要研究内容如下:（1）建立了一维和三维Fick吸湿增重的有限元模型,对比了一维Fick吸湿3种常用理论解的优缺点,分析了三维Fick吸湿问题中长度、宽度与厚度的比例对侧边吸湿的影响;对比了4种横向湿扩散系数预测模型的准确性,研究了纤维/基体界面层对湿扩散系数的影响;指出了多相材料湿扩散一维串联简化方法中几个常见的谬误,给出了三明治结构一维吸湿问题的理论解并通过与有限元模型模拟结果对比验证了理论解的正确性。（2）提出了一个预测单向复合材料湿热老化后纵向拉伸剩余强度的细观力学模型,该模型考虑了纤维拉伸强度的随机分布,同时考虑了复合材料内部水分浓度分布以及水分对纤维/基体界面的影响;通过类比纵向剩余强度预测模型,提出了单向复合材料横向拉伸剩余强度预测模型,该模型将单向复合材料细观结构简化为由纤维和树脂交替连接组成的“链”,并考虑了水分浓度对“链”的拉伸强度的影响。通过单向复合材料湿热老化后的拉伸试验验证了两个预测模型的正确性。（3）试验研究了环氧树脂及其玻璃纤维/碳纤维增强树脂基复合材料在不同温度去离子水中的吸湿、循环吸脱湿特性以及老化规律;建立了一个通量相关的湿扩散系数模型来描述它们在循环吸脱湿过程中的非Fick行为,并在ABAQUS平台中通过用户定义的子程序USDFLD来实现此模型;改进了古尼耶夫公式,给出了复合材料在循环吸脱湿过程中干态和湿态下的剩余强度及模量预测统一的公式,并成功描述了树脂及其复合材料在循环吸脱湿过程的老化规律。（4）通过自然暴露试验研究了玻璃纤维和碳纤维两种单向复合材料在南京地区室内和室外环境下的剩余强度变化规律;统计了南京地区湿度、温度和太阳辐照度的气象数据,并通过环境当量等效方法制定了实验室加速老化试验方案,通过加速老化试验结果与自然老化试验结果的对比,验证了环境当量等效方法是一个有效的加速老化试验方法;分析了当量等效方法中加速倍数的影响,并对复合材料长期老化寿命预测方法提出了一些建议。
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