CFRP材料孔隙缺陷特征分布理論與實驗研究.pdf

1、CFRP復合材料由于具有許多非常優(yōu)異的性能，在大型飛行器設計和制造中受到了廣泛的重視，在航空航天飛機及其構(gòu)件中的應用和所占的比重也相當可觀。然而，復合材料構(gòu)件自身的結(jié)構(gòu)和組織形成原理導致碳纖維增強樹脂基復合材料在制造和使用過程中會產(chǎn)生諸如孔隙、分層等缺陷，這些缺陷在承載和服役過程中，隨著周圍環(huán)境的改變也會相應發(fā)生擴展和轉(zhuǎn)移。這對于大型飛機的使用和服役過程是一個巨大的安全隱患。高精度和高效率的無損檢測與多維準確表征系統(tǒng)便是當務之急。然而，

2、大尺寸復合材料構(gòu)件制造缺陷和損傷的感知和表征極其困難，也對目前常規(guī)的無損檢測方法造成了很大的困難。要想準確及高效地檢測CFRP復合材料構(gòu)件中的缺陷和分層，除了研究多尺度缺陷和損傷的高效無損檢測原來和表征方法之外，還有一個十分重要的方面便是深入研究分析復合材料中缺陷和損傷的產(chǎn)生機理與擴展行為，并科學評價缺陷和損傷對各項性能的影響。
　　本文利用統(tǒng)計、計算和模擬碳纖維增強樹脂基復合材料在固化過程中各個參數(shù)變化的質(zhì)變和量變過程，得到復合

3、材料在制備過程中的固化溫度、固化壓強、固化率、粘度、表面張力/界面能、飽和溶解度等直接影響固化過程和氣孔形成和生長的各個參數(shù)隨著固化反應進行而產(chǎn)生的質(zhì)變曲線和量變方程式。得到了固化過程中氣泡的臨界形核尺寸變化規(guī)律：隨著溶解度下降和擴散反應加劇，氣泡的臨界形核尺寸呈上升趨勢，氣泡的形核最小形核尺寸為8μm；也得到了氣泡臨界生長尺寸公式，公式中R與P基本上呈反比關系。氣泡通過生長可以達到的最大尺寸為23μm，加壓之后氣孔半徑縮小到4μm左右

4、。固化過程中單個氣泡的生長過程為：9min時氣泡開始形核，從10min開始，氣孔以一定速率成長并最終達到穩(wěn)定。
　　此外，本文通過CT法研究不同尺寸孔隙的數(shù)量發(fā)現(xiàn)：射線CT法得到的孔隙沿著纖維方向在樹脂內(nèi)部分布，1μm分辨率條件下，材料中碳纖維成分占66.79vol.％，樹脂成分占32.08vol.%，孔隙成分占1.13vol.%；7μm分辨率條件下，射線CT法得到數(shù)據(jù)顯示碳纖維成分占67.08vol.%，樹脂成分占32.79vo

5、l.%，孔隙成分占0.84vol.%。與1μm孔隙率1.13vol.%相比，7μm的孔隙率略小。研究得到不同尺寸孔隙數(shù)量呈冪指數(shù)規(guī)律分布，越小的氣孔數(shù)量越多。
　　通過本課題的研究，可以為碳纖維增強樹脂基復合材料的微觀、細觀和宏觀表征技術提供借鑒，獲得復合材料制備過程中造成缺陷和損傷的產(chǎn)生機理和擴展行為數(shù)據(jù)。這對于以后研究多尺度復合材料典型缺陷損傷，開展大型復合材料制造缺陷和損傷研究，確定缺陷損傷的物理和幾何表現(xiàn)形式等具有重要意義