论文部分内容阅读
三维编织碳纤维环氧树脂基复合材料(C3D/EP)是由四步1×1法编织而成的增强体和环氧树脂的基体复合而成,这种材料整体强度和刚度都得到了显著提高。由于在航空、航天、民用设施和化工等领域得到了越来越广泛的应用,这种复合材料将会在一些复杂、严酷的环境下服役,将不可避免地受到湿热环境的影响。由于碳纤维与树脂树脂基体的热膨胀系数和湿膨胀系数均存在较大的差异,这将导致复合材料内部出现残余应力。本文将采用共焦显微拉曼光谱技术来测试和分析复合材料的残余应力变化,得到了以下的研究成果:首先在T=37℃、RH=100%的蒸馏水环境下对不同编织角的C3D/EP复合材料进行吸湿试验,得到了吸湿过程中的吸湿曲线。在吸湿的过程中采集了0天、196天和335天不同编织角的C3D/EP复合材料的Raman光谱图。结果表明:随着不同编织角C3D/EP复合材料吸湿过程的进行,所有试样的碳纤维中沿轴向的残余应力由吸湿前比较大的热残余压应力逐渐变小并趋于稳定。对与C3D/EP复合材料具有相同体积分数45%的单向纤维复合材料（CL/EP）的热残余应力的测试结果表明:C3D/EP复合材料在制备过程中的热残余应力要比CL/EP复合材料高4到5倍,原因在于C3D/EP复合材料中纤维之间的相互挤压和扭曲变形比较严重导致了较高的热残余应力。本文还应用共焦显微拉曼光谱仪的面扫描功能对C3D/EP复合材料的微区进行了面扫描,分析了在一个区域内的残余应力的变化,得到的结果与传统点Raman光谱一致,对以后的工作有着指导意义。通过UG三维造型软件,本文建立了C3D/EP复合材料的整体模型。基于该模型,本文采用有限元软件ABAQUS对复合材料在100%水环境中的吸湿扩散过程和在扩散过程中形成的应力场进行了有限元分析。这为复合材料在服役过程中的强度进行评价及服役寿命的估计提供了参考。在上面的有限元分析过程中需要两个重要的参数:最大吸湿量、湿扩散系数。本文采用了自适应卡尔曼滤波理论来估算C3D/EP复合材料在T=37℃,RH=100%环境下的这两个重要吸湿扩散参数,所得估算值为:平衡吸湿量C=0.74%,扩散系数D= 6. 7×10-4 mm2/s。并采用了有限元模拟的方法验证参数的准确性,说明自适应卡尔曼滤波理论对C3D/EP复合材料的吸湿参数进行估计具有一定的准确性。