溫度和濕度對碳纖維增強復合材料老化影響研究綜述

樊俊鈴，馬國慶，焦婷，陳曾美，韓嘯

1.中國飛機強度研究所 強度與結構完整性全國重點實驗室，陜西 西安 710065

2.大連理工大學，遼寧 大連 116024

近年來,碳纖維增強復合材料（CFRP）不僅廣泛應用于工業領域如航空航天、軌道交通、風力發電和汽車制造業等傳統行業[1-3],還擴展到了高端醫療、建筑行業等領域[4]。碳纖維增強復合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強體,以樹脂、陶瓷等為基體制備而成的復合材料。由于碳纖維增強復合材料具有高比強度、高比剛度、耐腐蝕、熱膨脹系數小、低熱導率和高殘炭率等諸多優點,其被廣泛應用于制造彈體整流罩、儀器艙等主要承力部件,而且在航空器結構的用量上,波音787飛機和空客A350飛機的機身復合材料用量已達到了50%以上[5-6]。碳纖維增強復合材料應用領域的多樣性決定了其服役環境的復雜性,影響其性能的環境因素包括溫度、濕度、化學腐蝕、紫外線和沖擊載荷等,其中濕熱環境老化因素是導致CFRP 性能下降的重要原因之一。當前,濕熱環境下的復合材料損傷演化、服役壽命預測方法和試驗技術尚未形成完整的研究體系,過度簡化了服役環境對復合材料的老化作用機理。

本文歸納整理了國內外學者圍繞加速老化環境試驗、力學性能退化規律和濕熱環境老化建模等研究工作,圍繞溫度和濕度等環境因素及其聯合影響對CFRP 的作用機理,闡述了CFRP內部的水分擴散和損傷失效行為,討論了CFRP在濕熱環境老化研究方面存在的問題和挑戰,并對可行的研究方向進行了展望。本文可以為CFRP的設計與制造、濕熱條件下的損傷機理研究和服役壽命預測提供有益參考。

1 碳纖維增強復合材料環境影響因素

影響碳纖維增強復合材料性能的因素主要可以分為兩類:外部環境因素和材料自身屬性因素。CFRP在長期服役過程中,受到的環境干擾因素主要為溫度、濕度、化學腐蝕、紫外線和外部載荷。碳纖維的吸濕能力有限,對CFRP 而言,其吸濕量主要取決于樹脂,樹脂性能易受到環境的影響發生較大改變[7]。CFRP為各向異性材料,其性能同時受到增強相材料、基體材料和制造工藝等影響,如碳纖維型號、纖維與基體的體積比、纖維鋪層方向和固化工藝等[8-9]。本文主要從濕熱環境因素對CFRP性能的老化影響進行歸納與分析。

復合材料環境老化試驗方法主要包括自然環境老化試驗和實驗室環境加速老化試驗兩類。國內外研究人員為了縮短研究周期、掌握CFRP在復雜環境下的性能變化規律,實現對CFRP 濕熱老化后的壽命預測,通常采用加速老化試驗方法模擬實際環境中出現的老化影響因素[10-12]。利用實驗室設計開展加速老化試驗,通常將材料長期浸入指定溫度的介質溶液中直至其吸濕飽和。Mamalis 等[13]為模擬由碳纖維增強復合材料制造的渦輪葉片在海水環境中的老化狀態,將樣本浸泡在50℃海水箱中持續6個月,發現由于海水老化導致材料強度明顯下降。Mouzakis等[14]為了研究溫度、濕度和紫外線輻射共同作用對復合材料的影響,設計了可以提供循環條件的老化環境室,對材料的拉伸性能和彎曲性能進行了測試,結果顯示,復合材料的剛度增加而強度有所下降,并且在老化后的試件表面觀察到了微小裂紋。陳偉明等[15]研究發現T800 碳纖維增強復合材料干態層間剪切強度達到122MPa。經過95℃蒸餾水浸泡后,該復合材料的玻璃化轉變活化能變化幅度較小。我國航空工業標準HB 7401—1996《樹脂基復合材料層合板濕熱環境吸濕試驗方法》也建立了實驗室加速干燥和吸濕方法標準,該方法可以保證試驗材料在工程能接受的較短時間內模擬其長期使用環境中可能達到的吸濕量。

2 溫度對碳纖維增強復合材料性能影響研究

2.1 高溫環境

樹脂基碳纖維增強復合材料通常采用高溫熱固或者真空高壓的方式成形[16]。CFRP處在高溫環境中,會加劇分子熱運動,基體發生軟化,基體與纖維界面黏結性能降低,且纖維和基體的熱膨脹系數存在差異,產生“離骨”現象,導致材料被破壞[17]。Wang 等[18]在22～706℃條件下對單向碳纖維增強復合材料層合板進行拉伸強度試驗,表1 總結了試件在不同溫度下施加拉伸載荷的失效模式。同時,圖1(a)表明CFRP 試件的拉伸強度隨溫度升高明顯降低。在520℃以下,應力與位移呈線性關系,在625～706℃之間,碳纖維發生氧化導致纖維損傷,應力與位移呈非線性關系。觀察圖1(b)發現,在20～150℃和450～706℃之間,CFRP 拉伸強度下降明顯,300℃時的拉伸強度約為室溫下的50%。

譚偉等[19]在80℃環境下對正交型樹脂基碳纖維增強復合材料層合板的層間力學性能退化行為進行研究發現,在試驗初期階段,CFRP 層間剪切強度明顯提高,層間拉伸強度無明顯退化,但隨著高溫老化時間增加,拉伸強度和剪切強度均有退化。剪切強度先升高后降低有兩個可能原因,一是樹脂在高溫下產生了后固化現象,二是高溫環境使得制造CFRP時產生的界面內應力得到釋放。隨高溫老化時間增加,樹脂增塑和樹脂/纖維界面黏結力降低,造成拉伸強度和剪切強度的降低。通過掃描電鏡（SEM）雙測CFRP的斷裂面,發現老化前的CFRP 斷裂面顯示出纖維表面被樹脂完整包覆,說明老化前的破壞主要是樹脂開裂引起的,如圖2(a)所示。而老化后的CFRP 斷裂面可以觀察到裸露的斷裂碳纖維,說明樹脂與基體的黏結力顯著減弱,如圖2(b)所示。馮振宇等[20]研究發現單向碳纖維增強復合材料層合板經不同溫度烘干后,其壓縮強度無顯著變化,但濕熱因素同時作用,復合材料的壓縮強度隨溫度及濕度升高而下降。

表1 不同溫度下施加拉伸載荷的失效模式［18］Table 1 Failure modes of specimens subjected to tensile loads at different temperatures［18］

圖1 碳纖維增強復合材料板在不同溫度下的力學性能[18]Fig.1 Mechanical properties of CFRP plate at different temperatures[18]

圖2 碳纖維增強復合材料斷裂面SEM圖像[19]Fig.2 SEM images of fracture surface in CFRP composite[19]

許多學者在研究溫度對碳纖維增強復合材料老化性能影響中,采用了試驗測定與數學模型驗證聯合分析的方法。陳明[21]利用ABAQUS 建立了10 層碳纖維增強復合材料模型,分析試驗和仿真結果得出溫度升高帶來的熱應力和樹脂軟化分解是導致復合材料力學性能下降的主要原因。譚偉等[19]提出了層內損傷力學模型,建立了一種高溫老化下的失效預測模型,對老化后的碳纖維增強復合材料層間力學性能進行失效預測,并得到不同老化衰減系數下的退化模型,同時結合試驗結果驗證預測模型,仿真與試驗數據誤差小于10%,說明了預測模型的準確性。張穎軍等[22]改進了古尼耶夫中值老化公式,使得改進公式能夠在不同老化環境中進行等效計算,并建立了碳纖維增強復合材料老化剩余強度的估算公式。結果表明,改進公式能夠反映老化因素對材料性能的影響,與試驗結果吻合較好。但該公式忽略了后固化隨溫度升高和時間增加對材料的增強作用,賈少澎等[23]據此改進公式,將碳纖維增強復合材料層合板在高溫下發生的后固化增強作用與高溫對纖維/基體界面產生的削弱作用進行合并,并考慮溫度、濕度和時間對材料性能的疊加影響。通過將試驗值與預測值進行對比,驗證了該強度估算公式的誤差控制在5%以內。

研究表明,在高溫環境下,CFRP 層間剪切強度由于后固化的作用可能會在試驗初期有所提高,而拉伸強度則會隨著時間的增加而下降。高溫環境會導致樹脂增塑和纖維/基體界面黏結力的減弱,進而影響材料的力學性能。然而,研究中存在一些不足之處,例如,缺乏對高溫下樹脂后固化和界面黏結力變化的詳細探究,以及對于預測模型的準確性和誤差控制的驗證也需要更多的試驗數據支持。

2.2 低溫環境

碳纖維增強復合材料具有高比強度、高比模量和良好的熱學性能,是制備超低溫貯箱的首選材料之一。Yang等[24]研究發現環氧樹脂基體的彈性模量和熱膨脹系數與溫度近似呈線性相關,如圖3 所示。利用建立的有限元模型對低溫下的殘余應力進行預測,圖4 表明兩個相鄰纖維的距離越近,纖維之間的基質中產生的殘余應力越高。Coronado等[25]研究發現單向碳纖維增強復合材料層合板在低溫時表現出更脆的特性,并且隨著溫度升高,基體延展性顯著增加。

從微觀角度分析,溫度降低,碳纖維增強復合材料基體發生收縮和硬化,體積變小使得分子間距縮短,分子間作用力增加,基體的彈性模量和拉伸強度增加、熱膨脹系數降低。在低溫環境中,樹脂和碳纖維的熱膨脹系數不同導致產生殘余應力,造成材料內部產生橫向裂紋和脫黏。

圖3 環氧樹脂的彈性模量、熱膨脹系數與溫度的關系[24]Fig.3 Relationship between elastic modulus, thermal expansion coefficient and temperature of epoxy resin[24]

圖4 有限元模型在-180℃下模型預測的殘余應力分布[24]Fig.4 The residual stress distribution predicted by the finite element model at -180℃[24]

3 濕度對碳纖維增強復合材料性能影響研究

3.1 水分擴散理論

碳纖維性能穩定,吸濕能力有限,對多數樹脂基碳纖維增強復合材料而言,吸濕量主要由樹脂決定。水分在樹脂基碳纖維增強復合材料中的擴散主要分為兩部分:（1） 水分滲入樹脂基體內部致使樹脂溶脹,增加樹脂分子間距,增加分子鏈柔性,導致樹脂增塑[26-27]；（2） 在制造CFRP 的過程中,不可避免的材料缺陷、空隙、裂紋會導致水分子聚集,使得CFRP內部能夠儲存更多的水分。增塑現象會造成樹脂拉伸強度和彈性模量的降低[28]。雖然眾多研究中CFRP的材料、環境溫度和固化工藝不同導致其水分擴散水平差異較大,但鋪層方式對水分擴散速率的影響較小,見表2。

表2 不同鋪層方式的碳纖維增強復合材料吸濕特性Table 2 Hygroscopic properties of CFRP with different layup configurations

碳纖維增強復合材料長期暴露在濕熱環境中,會導致可逆的物理變化和不可逆的化學反應[32],如熱膨脹會隨著濕度和溫度的降低而下降,但水解反應和微裂紋擴散是不可逆的。水分主要從以下三方面影響碳纖維增強復合材料的力學性能:（1） 水分在基體中擴散造成基體的力學性能變化；（2） 水分在基體中擴散,使得基體膨脹,導致纖維與基體脫離,造成CFRP界面性能的下降[33]；（3） 吸濕過程中,樹脂基體與碳纖維的吸濕膨脹系數使得界面產生了濕應力[34]。隨著吸濕量的增加,CFRP 的玻璃化轉變溫度、拉伸強度、彎曲強度、層間剪切強度和彈性模量降低,但韌性有所增加[35-37]。

3.2 吸濕老化試驗

碳纖維增強復合材料的吸濕能力受溶液類型、溫度、基體材料、制造工藝和纖維體積分數等因素影響。為探究上述因素對碳纖維增強復合材料吸濕能力的影響及引起的材料性能退化情況,國內外學者開展了大量研究。徐健[38]將CFRP 層合板在60℃水浴環境下分別浸泡5 天、20 天和75天,發現CFRP 層合板的水分吸收速率隨吸濕量的增加而逐漸降低,直至材料達到吸濕飽和。通過解析Fick 擴散定律,得到該CFRP層合板的吸濕飽和時間為75天,飽和吸濕量為1.11%,平均吸濕率為1.95×10-7m2/s,吸濕環境如圖5所示。

Kafodya 等[39]研究了浸泡在蒸餾水中和海水中的單向碳纖維增強復合材料層合板吸濕性差異和對其力學性能的影響。通過試驗對比發現,碳纖維增強復合材料層合板在海水溶液中的平衡吸濕量比在蒸餾水中高,但是其擴散速率低于在蒸餾水中的擴散速率。因為海水中的離子對材料表面有腐蝕作用,使得CFRP表面被破壞,得到了更高的平衡吸濕量,但是海水中的高濃度鹽分阻礙了水分滲透,造成了擴散速率的差異。經過20周的浸泡后,兩種溶液中的碳纖維增強復合材料拉伸強度均無明顯變化,如圖6(a)所示。對于層間剪切強度,蒸餾水中的碳纖維增強復合材料下降約22.3%,海水中下降約25.9%,如圖6(b)所示。

圖5 碳纖維增強復合材料層合板吸濕試驗[38]Fig.5 Moisture absorption test of CFRP laminates[38]

Da Silva 等[40]對浸在蒸餾水和人造海水中的單向圓柱形碳纖維增強復合材料棒橫截面進行觀測,發現了纖維/基質界面的脫黏現象。海水環境中的復合材料損傷程度高于蒸餾水中的復合材料,且損傷由相對稀疏和較小的空隙組成。

馬賀[41]經過試驗數據對比發現,相同溫度下,單向碳纖維增強復合材料層合板的吸濕率和平衡吸濕量均低于相同基體材料的澆鑄體。分析其原因,CFRP具有額外的吸濕量是因為水分的梯度擴散逐漸演變成沿材料缺陷和空隙發生毛細流動。在擴散速率方面,南田田等[42]經過試驗研究發現,恒溫恒濕的環境下,水分主要擴散至樹脂基體中,水分擴散速率幾乎呈線性變化；同時水分擴散速率主要受溶脹應力和高聚物松弛程度影響,后期吸濕率增加緩慢,逐漸達到平衡,但在短時間內難以達到飽和。

圖6 碳纖維增強復合材料層合板的力學性能退化[39]Fig.6 Degradation of mechanical properties of CFRP laminates[39]

Zhang 等[43]就厚度對單向碳纖維增強復合材料層合板吸濕的影響進行了研究,經過試驗研究發現,在相同的老化時間下,隨著樣品厚度的增加,CFRP 層合板的吸濕率在浸入初期降低,在浸入后期增加。同時,彎曲強度保持率通常隨著樣品厚度增加而增加,在吸濕老化中,也具有更好的強度保持行為。而拉伸性能主要由碳纖維的性能決定,其受到吸濕行為的影響較小。同時提出了加速因素分析模型,利用離散數據對CFRP 的老化行為進行了預測,并且與其所測得的試驗數據相吻合。

Liu 等[44]研究交叉型碳纖維增強復合材料層合板的抗高速沖擊性能時發現,由于水分使得基質軟化,老化后的復合材料抗沖擊性能得到了提高,彈道沖擊測試系統如圖7所示。

布特[45]通過對不同堆疊情況的碳纖維增強復合材料層合板做低速沖擊試驗,研究發現不同堆疊情況對CFRP 層合板吸濕擴散速率、吸濕量和低速沖擊性能有著明顯的影響。交叉層結構使用越多,碳纖維增強復合材料的吸濕能力越低。鋪層數量越多,水分吸收越緩慢。

上述學者開展了對CFRP 吸濕性能、力學性能和沖擊性能的研究。在吸濕性能方面,CFRP的水分吸收速率隨吸濕量的增加而逐漸降低。研究發現在海水環境下,復合材料的吸濕量較高但擴散速率較慢,并且吸濕率隨復合材料厚度增加而降低。在力學性能方面,海水和蒸餾水環境對CFRP的拉伸強度無明顯影響,但其層間剪切強度隨浸泡時間的增加明顯下降。水分促進CFRP 基質軟化,提高了其抗沖擊性能。

3.3 吸濕模型

圖7 彈道沖擊測試[44]Fig.7 Ballistic impact testing[44]

現有文獻表明,碳纖維增強復合材料中基體高聚物的吸濕會降低材料性能[46]。為了準確預測CFRP 由于吸濕引起的力學、熱物理性能的長期老化行為,通過建模方法預測復合材料吸濕量對研究在役材料損傷和結構失效很有必要。預測吸濕引起的性能退化程度需要一個可以表達給定時間的吸濕量的準確模型,以及CFRP 在特定環境中完全飽和的平衡吸濕量。高聚物及碳纖維增強復合材料的吸濕行為在短時間內遵循Fick 擴散定律,該定律假設了水分可逆吸收并且吸收的水分子與高聚物之間沒有發生化學反應。一維Fick擴散模型被廣泛用于表征聚合物的水分擴散行為。該模型雖然在多數情況下有效,但由于碳纖維增強復合材料的各項異性三維擴散存在[47-48]和樣本尺寸限制,可能使得計算結果產生顯著誤差。通過各向異性Fick擴散模型的三維形式可以準確表征水分的空間擴散規律。

CFRP內部的吸濕行為在短時間內遵循Fick擴散定律,第一階段吸水后,材料發生化學反應產生親水基團,同時溶質的阻礙作用使得各項異性復合材料的第二階段水分擴散過程更加復雜。為準確描述復雜的擴散過程,國內外學者建立了大量經典的復雜吸濕模型,見表3。Grace 等[54]建立了一種新的三維各項異性Non-Fick受阻擴散模型,該受阻模型擴展了經典的Fick 理論,考慮了水分子與高聚物的化學反應和物理相互作用的影響。通過將結果與上述三維Fick模型的極限情況進行比較,驗證了數值解的準確性,證明了所提出的受阻擴散模型的實用性。譚翔飛等[55]開展了碳纖維增強復合材料加筋壁板的吸濕特性研究,發現加筋壁板在吸濕后期存在明顯的第二階段吸濕現象,并提出了加筋壁板的第二階段吸濕模型,并對該型結構的吸濕行為進行了有限元仿真,仿真結果與第二階段吸濕曲線保持一致,計算誤差在5%以內。

Arhant 等[56]采用兩階段模型建立了歸一化模型,將歸一化后的材料性能分別構造為T-Tg的函數和吸濕量的函數,使得每個階段的性能退化都可以被表示為線性函數。Papanicolaou 等[57]也將環氧樹脂體系的力學和黏彈性行為表示為吸濕量、溫度和浸泡時間的函數。但Attukur Nandagopal[58]提出,這些模型沒有考慮在浸泡時間相同的情況下可能會存在吸濕率不同的情況,即沒有明確材料最初的降解情況。其修改了Cao 等[59]提出的半經驗模型,采用了經驗模型和二階段模型,主要討論了第一階段水分擴散對力學性能的影響。其經過對大量模型的總結分析,發現復合材料老化后的拉伸強度、壓縮強度和彎曲強度遵循三參數Weibull 分布。利用當前的模型,可以預測CFRP 老化后的強度及其相應的分布。于倩倩[60]則利用試驗中的老化性能數據建立了二元線性回歸模型,并對模型進行了顯著性檢測和預測,其模型預測精度較高,這證明了通過二元分析回歸方法建立試件的濕熱老化壽命模型,從一定程度上來說是可行的。

4 濕熱耦合環境對碳纖維增強復合材料性能影響研究

碳纖維增強復合材料在實際使用中會長時間處于高溫、高濕或海水環境中,而上述因素的耦合作用使得CFRP呈現出不同于單因素作用下的性能退化表現。碳纖維和樹脂基體之間存在微裂紋,且隨著溫度的升高而逐漸外延。在此過程中,水分會擴散并存儲在CFRP的裂縫中,加速其微裂紋的外延和水解反應的進行,而水的熱膨脹會增加材料內部的濕熱應力,對材料內部造成破壞[61-62]。表4總結了老化環境和老化時間對CFRP靜態力學性能的影響。

表3 典型的復合材料吸濕模型Table 3 Typical moisture absorption model of composites

表4 不同老化環境對碳纖維增強復合材料靜態力學性能的影響Table 4 Effects of different aging environments on the static mechanical properties of CFRP

Li 等[67]將交叉型碳纖維增強復合材料層合板樣本[90/0/±45/0]浸在不同濃度的NaCl 溶液中,模擬復合材料在海水環境中的靜態/動態力學性能退化,發現第一階段中溶液溫度對吸濕率的影響顯著,溫度越高,吸濕率和吸濕量越高。隨老化時間的增加,基體材料開始膨脹松弛,內部裂紋擴展引起第二階段吸濕,但該階段吸濕量增加非常緩慢。在7 個月后將樣品從溶液中取出放置在室溫環境中,吸濕量越高的樣本,解吸過程中吸濕量的下降幅度越大,如圖8所示。其中,實線為模型擬合曲線,散點為試驗數據。但不同的NaCl溶液濃度對CFRP的吸濕行為幾乎沒有影響。隨老化時間的增加,碳纖維增強復合材料拉伸強度和玻璃化轉變溫度大幅度下降,但對材料的彈性模量和泊松比無明顯影響。因為在水分擴散的影響下,基體出現溶脹和增塑現象,使得試件內出現層間界面性能失效,導致拉伸強度降低。對于單向碳纖維增強復合材料而言,彈性模量主要取決于碳纖維的力學性能。由于碳纖維在海水環境中的穩定性較高,單向碳纖維增強復合材料的彈性模量幾乎不受影響。

圖8 碳纖維增強復合材料在不同溫度下3.5% NaCl溶液中的吸濕行為[67]Fig.8 Moisture absorption behavior of CFRP in 3.5% NaCl solution with different temperatures[67]

方毅[68]研究了不同溫度浸泡環境對單向碳纖維增強復合材料層合板的拉伸疲勞性能的影響。20℃浸泡溫度對CFRP層合板的疲勞性能基本無影響,最終破壞形式主要為非連續破壞。在40℃和60℃水中浸泡60天時,由于水分子的溶脹,增塑作用引起缺陷增加,復合材料內部微裂紋開始快速積累,最終造成板材失效,嚴重降低了板材的拉伸疲勞壽命。Ma 等[69]研究了濕熱老化對交叉型碳纖維增強復合材料層合板[+45/0/-45/90]抗沖擊性能的影響,發現濕熱老化沒有對沖擊損傷樣貌造成影響,但在所有試樣中,凹痕深度與沖擊能量之間存在一個拐點。當沖擊能量低于此點時,凹痕深度隨沖擊能量的增加而緩慢增加,而當沖擊能量較高時,凹痕深度急劇增加。

在濕熱老化的數值模擬研究方面,Guo 等[70]通過多尺度有限元方法研究了碳纖維增強復合材料的老化規律、吸濕性和殘余應力等濕熱老化行為,并提出了一個缺陷假設來模擬濕熱老化缺陷。在采用層內單元和層間單元建立試樣尺寸的CFRP 模型時,分別引入三維應變形式Hashin 準則和改進的內聚力定律。利用遺傳算法對濕熱老化過程進行了定量表征。并且在力學性能和失效模式方面觀察到試驗結果和數值結果的一致性。與半經驗方法相比,多尺度模型可以揭示微觀結構演變與宏觀性能退化之間的關系。

除了濕熱老化因素,大氣、紫外線、腐蝕性介質等也對碳纖維增強復合材料的力學性能產生很大的影響。對此,劉治國等[71]采用實驗室加速腐蝕環境對多種環境共同作用下的單向碳纖維增強復合材料層合板性能退化做了研究。試驗結果表明,經預腐蝕后的CFRP 靜態力學性能和疲勞性能總體上隨著腐蝕周期的延長呈遞減趨勢,層間剪切強度的下降趨勢比疲勞性能和彎曲強度的下降趨勢更為明顯。Ding 等[72]研究表明,紫外線輻射降低了正交平紋型碳纖維增強復合材料層合板的力學性能,增加了材料的脆性,加速了剛度衰減,縮短了材料的疲勞壽命。

通過對CFRP 在不同環境條件下的力學性能進行研究,發現濕熱老化、腐蝕性介質和紫外線輻射等因素對材料的力學性能產生了顯著影響。在濕熱老化方面,溫度和溶液濃度對材料的吸濕行為和力學性能退化起著重要作用。但當前研究對不同環境條件下的材料物理機制和微觀結構演變的解釋還不夠深入,需要進一步研究材料的微觀結構和化學反應,以揭示其與宏觀性能變化之間的關系,并且研究中多采用簡化后的試驗方法,對于復雜的濕熱老化過程的定量表征仍然存在一定的局限性。可以考慮結合數值模擬方法,對濕熱老化的過程進行更精確的模擬和預測。

5 結論與展望

近年來,圍繞碳纖維增強復合材料的水分擴散建模、損傷演化機理和濕熱老化性能退化等方面的研究不斷深入,取得了豐富的研究成果。濕熱環境下CFRP的界面結合性能下降,內部空隙和缺陷為水分擴散提供了空間,促進了裂紋進一步擴展,引起局部殘余應力,造成剛度、強度退化和層間失效等。碳纖維增強復合材料種類繁多,制造工藝復雜,作為一種力學性能優異的新型材料,仍有諸多工程應用問題亟待研究。

（1）極端環境下碳纖維增強復合材料的性能研究

碳纖維增強復合材料廣泛應用于飛行器結構和超低溫貯存設備。實際服役環境可能面臨各種極端工況,結構表面需承受極端溫度、超高壓強等極度惡劣環境。現有研究的試驗環境參數設定普遍較為溫和,缺少對極端環境下材料的性能退化研究。開展對極端環境中碳纖維增強復合材料的性能退化研究,拓寬應用領域,可以有效減輕設備重量,提升關鍵服役性能。

（2）循環濕熱條件下的疲勞壽命預測

疲勞破壞是零部件失效的主要原因之一。對碳纖維增強復合材料在恒定濕熱老化環境中的疲勞性能研究較多,但循環濕熱條件碳纖維增強復合材料的損傷機制尚未明確,未能建立普遍適用的壽命預測模型。有必要掌握碳纖維增強復合材料的疲勞特性和壽命預測方法,為關鍵部件的設計開發提供理論支撐。

（3） 復雜環境下多因素耦合作用的損傷演化機制

受限于試驗技術和多因素耦合作用下碳纖維增強復合材料內部復雜的濕熱老化機制,目前的研究中多以恒溫、恒濕和循環濕熱條件為主,簡化了服役環境對碳纖維增強復合材料的作用機制,其性能退化方面的研究需要充分考慮復雜環境因素、載荷類型、損傷演化等因素。探究鹽霧、酸堿、紫外線、疲勞載荷等復雜環境作用下的損傷演化機制,建立微觀破壞機理和宏觀性能的映射關系,具有重要的理論研究和工程應用價值。

（4）實際構件的服役環境老化建模

碳纖維增強復合材料作為多相材料,其自身具有顯著和豐富的細觀結構特征,在濕熱環境和大應變率沖擊載荷作用下材料表現出復雜的失效與吸能機理,其部件有限元模型遠比材料模型復雜,目前國內外學者針對材料層面及簡化模型開展了較多研究,而對實際復雜構件的仿真分析較少。尤其對多向編織碳纖維增強復合材料和纖維纏繞先進碳纖維增強復合材料而言,具有顯著的材料—結構—工藝相互影響特征,根據實際應用構件對不同服役環境的響應建立仿真模型,對服役性能評價和壽命預測將具有重要應用價值。

（5） 三維編織碳纖維增強復合材料的制造工藝及性能研究

三維編織復合材料制造及其應用研究一直是國內外三維復合材料的研究熱點,三維編織復合材料較普通層合類復合材料具有更高的沖擊損傷容限和斷裂韌性,尤其適合異形構件的整體成形,但其制作周期長、成本相對較高,目前的應用僅集中在航空航天等領域,加強對三維編織工藝技術及性能的研究,有助于推進其在航空航天為代表的高新技術領域的發展和應用。