湿热老化对PBO纤维_环氧树脂单向复合材料弯曲性能的影响_汪益龙
湿热环境中环氧树脂复合材料力学性能
摘要环氧树脂作为涂料、交联剂、封装材料等广泛应用于国防与民用工业各个领域，其热力学性能受湿热环境影响很大，生产中常填充硅微粉等填料以提高性能。
硅微粉对环氧树脂性能的改善作用具有重要的研究和应用价值。
本文使用Material Studio构建了环氧树脂及熔融硅微粉原子模型，通过分子动力学模拟(MD)，分别获得了环氧树脂及熔融硅微粉在不同温度和含湿量下的力学参数，以及其湿热膨胀系数，水分子在环氧树脂中的扩散系数；在此基础上，采用广义自洽法(GSCM)研究环氧树脂/硅微粉复合材料的力学性能，采用细观力学理论计算得到环氧树脂复合材料的湿热膨胀系数；此后，构建了环氧树脂复合材料的代表性体元，通过有限元(FEM)模拟获得了环氧树脂/硅微粉复合材料的力学参数及湿热膨胀系数，并与广义自洽法等细观力学理论的研究结果进行对比。
此外，本文采用分子动力学方法研究环氧树脂和晶态二氧化硅、环氧树脂和聚合物的界面，构建了环氧树脂-晶态二氧化硅、环氧树脂-聚合物界面分子动力学模型，模拟获得不同湿热环境下的界面相互作用能。
研究结果表明：湿热环境会降低环氧树脂及其复合材料的力学性能，填充硅微粉填料可以显著提高环氧树脂的力学性能；环氧树脂的湿热膨胀系数随着硅微粉含量的增加而降低；温度升高或含湿量增加降低了环氧树脂-晶态二氧化硅、环氧树脂-聚合物的界面相互作用能，降低了其黏结强度，因而对环氧树脂/晶态二氧化硅、环氧树脂/纳米二氧化硅复合材料的强度产生影响。
关键词：环氧树脂；硅微粉；分子动力学模拟；广义自洽法；湿热膨胀系数；界面相互作用能AbstractAs packaging materials,coatings and cross-linking agent,epoxy resin is widely used in national defense and various fields of civilian industries,it’s thermodynamic properties will be influenced significantly in hot and humid environment,So silica powder and other fillers are often used to improve the properties of epoxy resin in real productions.The improvement effect of silicon powder on the properties of epoxy resin has important research and application value.In this paper,the atomic model of epoxy resin and fused silica powder is constructed by Material Studio,the mechanical parameters of epoxy resin and fused silica powder under different temperature and moisture content are obtained by means of molecular dynamics simulations(MD),and the moisture-heat expansion coefficient as well;On this basis,the mechanical properties of epoxy resin/silica powder composites were studied by generalized self consistent method(GSCM),and the thermal expansion coefficient of epoxy resin composites was calculated by using the theory of micro-mechanics;Thereafter,the representative volume elements of epoxy resin and silica powder composite materials are constructed.The mechanical parameters and moisture-heat expansion coefficient of the composite materials are obtained through finite element simulations,and the results under different approaches are compared.In addition,the molecular dynamics method is used to study the epoxy resin and crystalline silicon dioxide interface,the molecular dynamics model of epoxy resin/crystalline silicon dioxide interface is constructed,and the interaction energy of the interface under different heat and moisture conditions was simulated.The results show that:the mechanical properties of epoxy resin and it’s composites are dwindled in hot-humid environment,the mechanical properties of epoxy resin can be improved significantly by filling with silica powder.The moisture-heat expansion coefficient of epoxy resin decreases with the increase of the content of silicon powder;The interaction energy and bond strength between epoxy resin and crystalline silicon dioxide is decreased with the increase of temperature or moisture content,therefore,the strength of the epoxy resin /crystalline silicon dioxide composite is affected.Keywords:epoxy resin;silicon powder;molecular dynamics simulation;generalized self consistent method;moisture-heat expansion coefficient;interaction energy of interface目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1复合材料概论 (1)1.1.1复合材料的定义 (1)1.1.2复合材料的种类 (2)1.1.3树脂基复合材料 (3)1.1.4复合材料细观力学简介 (4)1.2环氧树脂、硅微粉及其复合材料 (5)1.2.1环氧树脂、硅微粉及其复合材料简介 (5)1.2.2环氧树脂热力学性能的研究现状 (7)1.2.3环氧树脂/硅微粉复合材料热力学性能的研究 (8)1.2.4界面相互作用能的研究 (9)1.3本文的主要研究内容 (9)第二章分子动力学方法 (11)2.1分子动力学方法基本原理 (11)2.2分子动力学力场 (12)2.3周期性边界条件 (14)2.4温度和压力调节方法 (14)第三章环氧树脂及熔融硅微粉分子动力学模拟研究 (16)3.1分子动力学模型建立 (16)3.2.1环氧树脂分子动力学模型建立 (16)3.2.1熔融硅微粉分子动力学模型建立 (19)3.2力学参数与膨胀系数模拟方法 (20)3.2.1静态常应变方法 (20)3.2.2湿热膨胀系数模拟方法 (21)3.2.3环氧树脂中水分子扩散系数的计算方法 (21)3.3模拟结果 (22)3.3.1环氧树脂及熔融硅微粉力学参数 (22)3.3.2环氧树脂及熔融硅微粉湿热膨胀系数 (24)3.3.2环氧树脂中水分子的扩散系数 (25)3.4本章小结 (31)第四章环氧树脂/球形熔融硅微粉复合材料热力学性能的理论研究与模拟仿真 (33)4.1环氧树脂/球形熔融硅微粉复合材料力学性能参数 (33)4.1.1广义自洽方法 (33)4.1.2有限元模拟方法 (35)4.1.3计算与模拟结果 (36)4.2环氧树脂/球形熔融硅微粉复合材料湿热膨胀系数 (38)4.2.1理论计算方法 (38)4.2.2有限元模拟方法 (40)4.1.3计算与模拟结果 (40)4.4本章小结 (42)第五章环氧树脂界面相互作用能分子动力学模拟 (44)5.1分子动力学模拟方法 (45)5.1.1环氧树脂-晶态二氧化硅界面相互作用能模拟方法 (45)5.1.2环氧树脂-聚合物界面相互作用能模拟方法 (46)5.2模拟结果 (50)5.1.1环氧树脂-晶态二氧化硅界面相互作用能模拟结果 (50)5.1.2环氧树脂-聚合物界面相互作用能模拟结果 (52)5.3本章小结 (55)结论与展望 (57)结论 (57)展望 (58)参考文献 (59)第一章绪论第一章绪论1.1复合材料概论1.1.1复合材料的定义复合材料是指由两种或两种以上单一材料复合而成的材料，其种类很多，常见的如：钢筋混凝土，添加植物秸秆的泥土，用纤维加固的聚合物材料等。
纤维增强树脂基复合材料湿热老化性能研究
Keywords:
composite, hygrothermal environment, hygrothermal aging, mechanical properties,
properties degradation
II
南京航空航天大学硕士学位论文
图、表清单
图 1.1 军机复合材料结构加速湿热老化谱 .................................................................................2 图 2.1 复合材料四种典型吸湿量曲线 .........................................................................................5 图 2.2 温度对树脂基体吸湿量的影响 .........................................................................................8 图 2.3 一般树脂基复合材料吸湿规律曲线 ...............................................................................11 图 2.4 湿度对 T300/5208 复合材料吸湿的影响 .......................................................................13 图 2.5 温度对 T300/5405 复合材料吸湿的影响 .......................................................................14 图 2.6 温度对 T300/HD03 复合材料吸湿的影响 .....................................................................14 图 2.7 层板厚度对复合材料吸湿的影响 ...................................................................................15 图 2.8 不同纤维含量复合材料吸湿规律 ...................................................................................15 图 2.9 65℃下复合材料在各介质中的吸湿曲线 ........................................................................16 图 2.10 T300/5405 复合材料在不同温度下的吸湿曲线 ...........................................................19 图 3.1 T300/5405 复合材料的表面形貌 .....................................................................................22 图 3.2 干、湿层压板压-压疲劳 S-N 曲线 .................................................................................29 图 4.1 层间剪切强度保留率变化曲线 .......................................................................................31 图 4.2 弯曲强度保留率变化曲线 ...............................................................................................31 图 4.3 65℃时层间剪切强度保留率随时间的变化 ....................................................................33 图 4.4 95℃时层间剪切强度保留率变化曲线 ............................................................................33 图 4.5 65℃时弯曲强度保留率变化曲线 ....................................................................................33 图 4.6 95℃时弯曲强度保留率变化曲线 ....................................................................................34 图 4.7 单向玻璃纤维增强 BMI 复合材料弯曲强度保留率变化曲线 .....................................34 图 4.8 HT3/4211 复合材料层间剪切强度保留率变化曲线 ......................................................35 图 4.9 湿热老化性能退化累积...................................................................................................35 图 4.10 性能退化等效关系..........................................................................................................36 图 4.11 65℃时力学性能保持率和吸湿量随时间的变化曲线 ..................................................37 图 4.12 95℃时力学性能保持率和吸湿量随时间的变化曲线 ..................................................37 图 4.13 无量纲温度是工作温度和水分含量的线性函数 .........................................................38
湿热循环对Nomex蜂窝／环氧树脂夹层复合材料性能的影响
ｒ ｓ ｔ ｈａ ｈｅ ｓ ａ ｒｏｒ ｎｃ ｓ ｏ ｈｅ ｓ ｅ ｉ ｅ ｓ ａ ｅ ｈｉ ｙ ａ ｆ ｃ ｅ ｈ ｇ ｏｔ ｅ ｍａ ｉｃ ａ ｅ ｕｌｓ ｔ ｔｔ ｈｅ ｒｐｅ ｆ ｍａ ｅ ｆｔ ｐ ｃｍ ｎ ｒ ｇｈｌ ｆｅ ｔ ｄ ｂｙ ｔ ｅ ｈｙ ｒ ｈ ｒ ｌｃｒ ｕｌ — ｔｏ ｉ ｎ，ｅ ｐｅ ｉｌｙ ｆ ｒ ｓ ｍ ｐ ｅ ２ Ｔｈｅ ｓ ｍ ｐ ｅ １ ａ ｒ ｔ ｂｌ ｅ ｈａ ｉａ ｏ ｒ ｉ ｓ ａ ｔ ｒ ｈｙ ｏ ｈ ｒ ａ ｓ ｃ ａｌ ｏ ａ ｌ ． ａ ｌ ｈ ｓ ｍｏ ｅ ｓ ａ ｅ ｍ ｃ ｎ ｃ ｌｐｒ ｐｅ ｔｅ ｆｅ ｇｒ ｔ ｅ ｍ ｌ
ｃｒ ｕｌｔｏ ｈａ ａ ｐｌ Ｔｈｅ ｄｉｌ ｃ ｒｃ ｐ ｏ ｒ ｉｓ ｏｆｔ Ｗ Ｏ ｓ ｃｍ ｅ ｒ ｌ ｏ ｄ ｓ ｕｓ ｅ ｉｃ ａ ｉ ｎ ｔ ｎ ｓ ｍ ｅ ２． ｅｅ ｔｉ ｒ ｐｅ ｔｅ ｈｅ ｔ ｐｅ ｉ ｎｓａ ｅ ａ ｓ ｉｃ ｓ ｄ．
湿热老化对环氧树脂复合材料性能产生的影响
湿热老化对环氧树脂复合材料性能产生的影响作者：操隆震余万兴来源：《山东工业技术》2018年第08期摘要：湿热老化的环境状态条件，会影响到环氧树脂复合材料的自身性能，从而对于这些材料制作的雷达天线罩产生不良影响，全面探究湿热老化产生的影响，将具有较强的研究意义。
本文主要是从环氧树脂复合材料老化试验的主要方法入手，针对湿热老化对环氧树脂复合材料性能产生的影响进行全面细致的分析和说明。
关键词：湿热老化；环氧树脂；复合材料；性能；影响DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2018.08.0501 前言环氧树脂及其复合材料在现阶段的雷达天线罩中应用程度较高，能够发挥较大的作用，这主要是因为其本身的力学强度较高，具有较强的耐腐蚀性，工艺性能较高，并且在较为宽广的频率和温度范围内都能够具有较为优异的电性能。
雷达天线罩在实际应用的过程中，免不了遭受风吹日晒，使用性能也会受到很多环境条件的影响，这些环境因素在不同的作用机制下能够影响到复合材料，从而可能会导致这些材料的性能出现下降或者损坏变质的情况，这就是常说的“腐蚀”或者“老化”。
在众多的研究实践中，能够发现湿热老化是影响环氧树脂复合材料自身性能的重要原因之一，需要对其进行全面细致的分析。
2 环氧树脂复合材料老化试验的主要方法针对环氧树脂复合材料在一定环境条件下的老化规律和耐老化性能进行全面评价和研究，通常情况下，能采用的老化试验方法较多，总体上能够划分为两类：一方面是自然老化试验方法，这种方法主要是充分应用了自然环境条件、自然介质开展试验工作，常见的有仓库贮存试验、大气老化试验、水下埋藏试验以及还会浸渍试验等方面。
另一方面是人工老化试验方式，这种方法在实际应用的过程中，主要采用了人工的方式，针对大气环境条件或者试验所需要的特定环境条件进行模拟，重点强化和突出某些因素，从而在较短时间内获取试验结果。
这类方法常见的有热老化试验、人工气候试验、臭氧老化试验以及二氧化硫气体腐蚀试验等方面。
环氧树脂_玻璃纤维复合材料性能研究与应用
210 ±20 52. 4 ±5
≤1. 5 0. 1 ±0. 01
(2)层压板的制备 根据模具尺寸裁剪预浸料并铺贴 。制备常规力
学性能测试用层合板时 ,将一定层数铺贴好的预浸 料按经向铺贴好的坯件放入涂有脱模剂 (或覆有隔 离膜 )的模具内 ,用限位条控制厚度 ,采用模压法制 造层合板 。分别按标准中的工艺参数固化成型 ,自 然冷却至 60℃以下 ,卸压出模 。
适中 、工艺性好 ,并可以制造复杂曲面的制件 。所研 制的 EP / GF复合材料层压板的力学性能见表 4。
表 4 EP / GF复合材料层压板的力学性能
项 目
弯曲强度 /MPa 弯曲弹性模量 / GPa 层间剪切强度 /MPa
强度 /MPa
纵向拉伸
弹性模量 / GPa 泊松比
最大应变 / %
强度 /MPa
复合材料的湿热性能除了与增强材料和树脂本
ห้องสมุดไป่ตู้
身的湿热性能有关外 ,还与界面的粘接强度和空隙 率有关 。选择耐湿热性能好的树脂和适合的成型工
艺 ,能避免因增强材料的吸湿而造成的性能下降 。 EP / GF复合材料的水煮和湿热老化性能见表 5。
表 5 EP / GF复合材料的水煮和湿热老化性能
项目及测试条件
横向拉伸
弹性模量 / GPa 泊松比
最大应变 / %
纵向压缩
强度 /MPa 弹性模量 / GPa
横向压缩
强度 /MPa 弹性模量 / GPa
纵横面内剪切强度 /MPa 纵横面内剪切弹性模量 / GPa
拉伸最大应变 / % 拉伸剪切强度 /MPa 滚筒剥离强度 /N · (mm ·mm ) - 1 上下
( 3 )夹层板的制备 EP / GF复合材料滚筒剥离强度试样为铝蜂窝 夹层结构 。试样用芯材为 NA - G5铝蜂窝 ,厚度为 16 mm;上下面板铺层对称铺贴 ,每面各铺贴 5层预 浸料 ;玻璃布的经向与试件最大尺寸及蜂窝的 L 方 向平行 ,纬纱面与蜂窝接触 。将组装好的真空袋放 入烘箱 内 , 升 温 并 抽 真 空 , 真 空 度 为 0. 08 ～ 0. 1 M Pa,以 1. 5 ～3℃ /m in 的升温速率升到 125℃,在 (125 ±5) ℃下保温 2 h,自然冷却至 60℃以下取出 。 1. 4 性能测试 预浸料及复合材料层压板的外观通过目测 ; 预浸料单位面积质量和树脂含量按 JC / T 780 - 1996测试 ; 挥发分含量按 JC / T 776 - 1996测试 ; 弯曲性能按 GB / T 1449 - 1983测试 ; 层间剪切强度按 JC / T 773 - 1996测试 ; 拉伸性能按 GB / T 1447 - 1983测试 ; 压缩性能按 GB / T 5258 - 1985测试 ; 滚筒剥离强度按 Q /6S 1145 - 1994测试 ; 纵横剪切性能按 GB / T 3355 - 1982测试 ; 拉伸剪切强度按 DHN 1. 015 - 240测试 。 2 结果与讨论 2. 1 EP / GF布预浸料的物理性能 EP / GF布预浸料是通过 2 步热熔胶膜法制备 ,
湿热老化对碳纤维_环氧树脂基复合材料力学性能影响研究
湿热老化对碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能影响研究Study of H ydrothermal Aging Effect on Mechanical Propert ies ofCarbon Fiber/Epoxy Resin Composites吕小军1,张琦1,马兆庆1,许俊华2,肖文萍2(1北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083;(2中国直升机设计研究所,江西景德镇333001) LU Xiao2jun1,ZH ANG Qi1,MA Zhao2qing1,XU Jun2hua2,XIAO Wen2ping2(1School of Materials Science and Engineering,Beijing U niversity ofAeronautics and Astronautics,Beijing100083,China;2Chinese H elicopter Research and Development Institute,Jingdezhen333001,Jiangxi,China)摘要:研究了3.5%(质量分数)NaCl溶液和去离子水两种介质分别在30e和80e两个温度下溶液浸泡对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响。
研究发现:浸泡使复合材料的力学性能下降,80e下浸泡使复合材料力学性能下降更显著;低温下介质组分对复合材料的影响不是很明显,80e下去离水中浸泡对复合材料的静态力学性能破坏更显著。
关键词:碳纤维增强树脂基复合材料;湿热老化;腐蚀中图分类号:TB383文献标识码:A文章编号:100124381(2005)1120050204Abstr act:In order to study the influence of solution immersion on mechanism pr operties of carbon fi2 ber reinfor ced epoxy resin composites, 3.5%(mass fraction)NaCl and pur e water solution were used to immer sion solution,and the immersion temperature were30e and80e respectively.The r esults showed that the mechanical pr operties of carbon fiber reinforced epoxy resin composites decreased af2 ter the composites wer e immer sed by the3.5%N aCl and pure water solution,and the decrease of me2 chanical properties was more obvious in80e temperature immersion solutions.T he effect of solution contents on mechanical properties was not obvious at30e,however at80e the decr easing of me2 chanical properties of carbon fiber/epoxy composites in pur e water was more notable.Key words:carbon fiber reinforced epoxy resin composites;wet/hot aging;corr osion复合材料以其优异的力学性能在现代飞机结构部件,特别是直升机上得到了广泛的应用。
湿热老化环境对环氧树脂性能影响研究
ｌ ｗ ｉ ｒ ｆ ｂ ｏ ｔ ｎ ｂ ｈ ｖｏ ．ｈ ｖｎ ｎ ｅ ｕｌ ｒ ｍ ｉ ｕ ｅ ｃ ｎ ｅ ｔｏ ．５ ａ ｄ ａ ｄ ｆ ｓｖｔ ｆ １ ５ １ ｒ ｍ％ ． ｈ ａ ｔ ｍｓ ｏ ｓ ｒ ｉ ｅ ａ ｉｒ ａ ｉ ｇ ａ ｑ ｉ ｂ ｕ ｍｏ ｓ ｒ ｏ ｔｎ ｆ５ １ ％ ｎ ｉ ｕ ｉｉ ｏ ． ｘ ０ ａ ｎ ｅ ａ ｐ ｏ ｉｉ ｔ ｙ ６ Ｔｅ
Ｚ ＨＡＮＧ ｉＹＡＮＧ ｉｎ ｏ ｇ， ＩＨａｂｎ， Ｉ ｈ ｎ ｗ Ｈｕ ， Ｊａ ｈ ｎ Ｌ ｉｉ Ｌ Ｕ Ｃ ｅ ｇ ｕ
（ ｈ ｅ ｏ ｄＡｒｉｅｙ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ｏｌｇ ， ｎ７ ０ ２ Ｃ ｉａ Ｔ ｅＳ ｃ ｎ ｔｌｒ ｎ ｉｅ ｒ ｇＣ ｌ ｅ Ｘｉ １ ０ ５， ｈｎ ） ｌ ｉ ｅ ａ
‘ ａ ｉ ｆｒ ｓｎ． ｇｎｇ ｏ ｅ ｉ
Ｋｅ ｒ ｓ ｐ ｘ ｅ ｉ ｈ ｄ ｏｈ ｒ ｌ ｇ ｎ ； ｇ ｎ ｃ ａ ｉｍｓ ｙｗｏ ｄ ｅ ｏ ｙｒ ｓｎ； ｙ ｒ ｔ ｅｍａ ｉ ｇ ａ ｉ ｇ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ａ
环氧 基 复合 材料 也 因其 比模 量 、 比强 度 高及 性 能 的 可设计 等 特点 ， 泛 的应 用 于航 空航 天 领 域 的结 构 广 设计 和制 造过 程 中 。作 为传 递 载荷 基体 材 料 ， 氧树 环
ｐ ｏ ｅ ｔ ｓｏ ｅ ｅ ｏ ｙ ｒ ｓｎ ｄ ｒ ｇ ｈ ｄ ｏｈ ｒ ｌ ｇｎ ｒ ｔ ｄｅ ． ｔｗ ｓ ｆｕ ｄ ｔ ａ ｅ ｅ ｏ ｙ ｒ ｓｎ ｏ ｅ ｓｔ ｅ ｓ ｃ ｎ ｉ ｋ Ｓ ｒ ｐ ｒ ｅ ｆ ｈ ｐ ｘ ｅ ｉ ｕ ｎ ｙ ｒｔ ｅ ｍａ ｉ ｇ ｗｅｅ ｓ ｉ ｄ Ｉ ａ ０ ｎ ｈ ｔｔ ｐ ｘ ｅ ｉ ｂ ｙ ｈ ｅ ｏ ｄ Ｆ ｃ ｉ ｔ ｉ ａ ｕ ｈ
湿热环境对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响及其损伤机理
湿热环境对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响及其损伤机理杨旭东;安涛;邹田春;巩天琛【摘要】采用加速吸湿法研究经3种湿热环境(湿度为85％RH,温度分别为25,70,85℃)处理后CFRP层合板的吸湿特性,对吸湿前后的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板分别进行拉伸、压缩、剪切实验,研究其力学性能变化规律,利用扫描电镜和红外光谱分析湿热环境中CFRP层板的损伤机理,最后采用最小二乘法拟合提出湿热环境下CFRP层合板力学性能的预测公式.结果表明:CFRP层合板的吸湿初期特性符合Fick定律;相同湿度下环境温度越高,CFRP的吸湿速率和平衡吸湿率越大,达到吸湿平衡所需时的间越长;3种湿热环境处理后的CFRP层板的90°拉伸和剪切力学性能下降最明显;经湿热环境处理后水分子通过氢键与环氧树脂发生缔合,但CFRP层合板中的各组分未发生化学结构变化;拟合建立的不同湿热条件下力学性能衰退公式与实验结果基本一致.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2019(047)007【总页数】8页(P84-91)【关键词】CFRP;湿热;力学性能;损伤机理;强度预测【作者】杨旭东;安涛;邹田春;巩天琛【作者单位】中国民航大学中欧航空工程师学院,天津300300;中国民航大学中欧航空工程师学院,天津300300;中国民航大学民用航空器适航审定技术与管理研究中心,天津300300;中国民航大学民用航空器适航审定技术与管理研究中心,天津300300【正文语种】中文【中图分类】TB332碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)具有高比强度、高比模量、可设计性强、抗疲劳性能好等优点，在航空航天、车辆交通[1-3]等领域得到了愈加广泛的应用。
但是湿热环境会对CFRP的基体、纤维、纤维-基体界面[4]造成不同形式、不同程度的破坏，并使CFRP的力学性能发生退化。
复合材料湿热老化及玻璃鳞片涂料耐腐蚀性能研究的开题报告
复合材料湿热老化及玻璃鳞片涂料耐腐蚀性能研究的开题报告一、选题背景及意义近年来，复合材料在航空、汽车、船舶、建筑等领域得到了越来越广泛的应用。
相比传统金属材料，复合材料具有轻量化、高强度、耐腐蚀等优点，因此越来越受到关注。
然而，在实际应用中，复合材料也面临一些问题，其中湿热老化和腐蚀是比较常见的问题。
湿热老化是由暴露在湿热环境下的复合材料被加速老化导致的，其会导致复合材料性能下降，从而影响其使用寿命。
而复合材料的腐蚀问题也是需要重视的，特别是在海洋环境下，海水中的盐分和氯离子非常容易腐蚀复合材料。
因此，对于复合材料的湿热老化和腐蚀问题进行研究和解决具有十分重要的意义。
本文将以玻璃鳞片涂料为研究对象，分析其在湿热老化和腐蚀环境下的性能表现，旨在为复合材料的应用提供一定的参考。
二、研究内容和方法本文将研究玻璃鳞片涂料在湿热老化和腐蚀环境下的耐腐蚀性能表现。
首先，通过模拟湿热环境进行湿热老化实验，以评估玻璃鳞片涂料在湿热环境下的性能变化，比较未老化和老化后的涂层耐腐蚀性能差异。
其次，将玻璃鳞片涂料暴露在海水环境下进行腐蚀实验，以评估其耐腐蚀性能表现。
最后，通过对实验结果进行分析和比较，得出玻璃鳞片涂料在不同环境下的耐腐蚀性能表现，并探究其原因。
三、研究预期结果我们期望通过本研究获得以下结果：1. 玻璃鳞片涂料在湿热老化环境下的性能变化情况，并分析老化对其耐腐蚀性能的影响。
2. 玻璃鳞片涂料在海水腐蚀环境下的性能表现，评估其抗腐蚀能力。
3. 以实验结果为基础，探究玻璃鳞片涂料在不同环境下的性能表现原因。
四、研究意义本研究对于完善复合材料湿热老化和腐蚀问题解决方案具有重要意义。
其中玻璃鳞片涂料被广泛应用于航空、汽车等领域，其耐腐蚀性能表现的优劣直接影响到所呈现的性能，因此本研究对于完善涂料性能具有一定的参考价值。
同时，本研究对于推动复合材料的应用、促进相关科研领域的发展也有重要意义。
环氧树脂和双马树脂的热水老化及弯曲性能研究
两种树脂的平衡吸水 ( 脱水 ) 率 M 与扩散系数 D x 的实验值如表 1所示。由表 1可知, 在 96 热水 老化和 60 的干燥脱水条件下, 环氧树脂的平衡吸 水 ( 脱水 )率均低于双马树脂, 但环氧树脂的扩散系 数却高于双马树脂。
表 1 平衡吸水 (脱水 )率 M 与扩散系数 D x 的实验值 T able 1 The experim enta l va lues of equ ilibrium w ater content
ter at 96
第 3期
环氧树脂和双马树脂的热水老化及弯曲性能研究
39
图 4 两种树脂 60 下的干燥扩散曲线 F ig. 4 W ater d iffusion curve of two resins dried at 60
式中, dM t 是 M t- t /h 曲线上曲线斜率; h 是试样的 d t /h
1. 909
2. 125
1. 821
2. 2. 2 M 和 D x 的理论估算 根据 Fourier和 F ick的 水分子扩散理论 , [ 14] 假
设 ( a) 材料的一 侧或平 行的 两侧暴 露在某 一环境
中, ( b) 初始时材料内部的温度与湿度分布是一致
的, ( c)环境的湿度和温度恒定, 则材料吸水率和脱 水率均可用式 ( 4) 表示:
收稿日期: 2003-11-12; 修订日期: 2004-02-10 作者简介: 詹茂盛 ( 1954-) , 男, 教授, 博导, 从 事高 分子及 复 合材料方面的研究。
有关 [ 10] 。只有在树脂玻璃化转变 温度以上的温度 下进行干燥脱水, 才可能完全脱除水分 [ 11] 。
本工作采用加速实验方法, 研究一种环氧树脂 和一种双马树脂高温吸水老化与干燥脱水过程, 分 析吸水率、脱水率与时间的关系, 计算它们的平衡含 水 ( 脱水 ) 量 M 、扩散系数 D x、动力学参数 k 和 n、 渗透系数 P, 阐明吸水和脱水机理, 比较了两种树脂 吸水 /脱水过程的弯曲性能。
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中图分类号： V258
文献标识码： A
文章编号： 1006-2793（ 2014） 05-0704-07
DOI： 10． 7673 / j． issn． 1006-2793． 2014． 05． 023
Effects of hygrothermal aging on bending properties of PBO fiber / epoxy resin composite
相应降低。其主要原因在于 PBO 纤维的表面为化学惰性，表面形貌光滑，与环氧树脂浸润性不好，界面粘接力主要是较弱
的范德华力。在湿热老化过程中，水分的吸收和渗透造成 PBO 纤维与环氧树脂基体之间的界面的破坏，构成了该类复合
材料独特的湿热老化特性。
关键词： PBO 纤维； 单向复合材料； 湿热老化； 界面
摘要： 研究了在湿热老化过程中，PBO 纤维 / 环氧树脂单向复合材料弯曲性能的变化规律，发现 PBO 纤维 / 环氧树脂复
合材料具有不同于一般的纤维增强树脂复合材料的湿热老化特点。研究发现 PBO 纤维 / 环氧树脂单向复合材料在湿热老
化过程中，相比温度而言，湿度对复合材料弯曲性能的影响更为显著，复合材料在老化过程中吸水率增加的同时，弯曲性能
高、抗疲劳性好、断裂安全性能好、减震能力强、高温性 能好、可设计性强等优点，纤维增强树脂基复合材料已 成为现代飞机设计的四大结构材料之一，在航空航天 等高技术领域有着广泛的应用。PBO 纤维作为一种高
① 收稿日期： 2013-11-20； 修回日期： 2014-02-18。 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 50703010，50973028） ； 上海市自然科学基金（ 12ZＲ1407900） 。 作者简介： 汪益龙（ 1988—） ，男，硕士生，研究方向为 PBO 纤维及复合材料。E-mail： zjhywyl@ 126． com 通讯作者： 刘小云（ 1972—） ，男，副教授。E-mail： liuxiaoyun@ ecust． edu． cn
测试标准按照 GB / T 9341—2000，每组测试至少 20 个
有效数据。扫描电镜测试仪器为 JEOL 公司的 JSM—
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2014 年 10 月
固体火箭技术
6360LV 型扫描电镜，样品在测试前经喷金处理。吸水 率按 GB 1304—1998 标准进行测定。
第 37 卷
2 结果与讨论
图 1 PBO / 环氧单向复合材料试样图 Fig． 1 Schematic diagram of PBO fiber / epoxy
unidirectional composite sample
图 2 单丝拔出强度实验制样和测试示意图 Fig． 2 Schematic diagram of the IFSS test sample and measurement
Key words： PBO fiber； unidirectional composite material； hygrothermal aging； interface
0 引言
纤维增强树脂基复合材料是以树脂为基体、纤维 为增强体，采用先进复合材料成型加工技术制备而成 的一系 列 高 性 能 复 合 材 料。 由 于 具 有 比 强 度 比 模 量
第 37 卷第 5 期
固体火箭技术 Journal of Solid Ｒocket Technology
Vol． 37 No． 5氧树脂单向 复合材料弯曲性能的影响①
汪益龙，刘小云，庄启昕，韩哲文
（ 特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室， 华东理工大学 材料科学与工程学院，上海 200237）
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2014 年 10 月
汪益龙，等： 湿热老化对 PBO 纤维 / 环氧树脂单向复合材料弯曲性能的影响
第5期
强高模耐高温的高性能纤维，是纤维增强树脂基复合 材料的理想纤维增强材料［1］。
PBO 纤维在使用过程中，易受光老化和湿热老化 的影响，造成 PBO 纤维性能大幅下降［2 － 4］。本课题组 对 PBO 纤维的光老化、湿热老化及防老化问题进行了 大量研究［5 － 11］，但在 PBO 纤维 / 树脂复合材料中，PBO 纤维由于包裹在树脂中，不会受紫外线直接照射，因此 光老化问题显得不很突出，而湿热老化对复合材料性 能的影响较大。为此，本文重点研究 PBO 纤维 / 环氧 树脂复合材料（ PBO / 环氧复合材料） 的湿热老化。
1 实验
1． 1 实验原料及实验方法 （ 1） 实验原料 PBO 纤维为自制，环氧树脂牌号为 618，固化剂选
用甲基六氢苯酐，固化促进剂选用 DMP-30。为了避开 其他因素的干扰，单纯研究湿热老化对 PBO / 环氧复合 材料性能的影响，因此使用的是没有经过任何表面处 理的原始 PBO 纤维。
（ 2） 单向纤维复合材料的制备 按照标准 GB / T 2567—2008，首先将环氧树脂、固 化剂及固化促进剂按 100∶ 80∶ 1 混合，并搅拌均匀制 成胶液； 分别在各个型腔轴向的两端拉紧固定均匀的 纤维束； 然后将配制好的树脂胶液浇入模具中，加热固 化成型。 PBO / 环氧单向复合材料试样尺寸为 120 mm × 15 mm × 6 mm，试样示意图如图 1 所示。其中，环氧树脂 的固化工艺为： 先在 100 ℃ 下固化 2 h，再在 120 ℃ 下 固 化 4 h，在 150 ℃ 下 固 化 5 h，最 后 在 180 ℃ 下固化 1 h。
Abstract： The effects of hygrothermal aging on the PBO fiber / epoxy resin unidirectional composites were investigated through studying the bending properties，the surface physical and chemical state of PBO fiber，the water absorption ratio，and the interfacial shear strength of PBO fiber and composites． The results show that the bending properties of PBO fiber / epoxy resin unidirectional composites are more sensitive to the humidity during hygrothermal aging． The bending properties of composites decrease when the water absorption ratio of composites increases during aging． The possible reason is that the surface of PBO fiber is smooth without active groups； the interfacial binding force between PBO fiber and epoxy resin presents mainly Van der Waals force，which is weak and is easy to be broken by water． During hygrothermal aging，the absorption and the penetration of water would result in the sharp decrease of interfacial binding force between fiber and resin and would destruct the bond between fiber and composites． This is the particular character of the hygrothermal aging of PBO fiber / epoxy unidirectional composite．
本文以 PBO / 环氧单向复合材料作为模型，研究了 湿热老化对 PBO / 环氧复合材料弯曲性能的影响，分析 了 PBO / 环氧复合材料湿热老化的特点，为 PBO 纤维 复合材料在使用过程中的老化问题及使用的可靠性提 供指导。
（ 3） 单丝拔出实验 单丝拔出实验用来测试 PBO 纤维与环氧树脂基 体的界面剪切强度。其制样和测试方法如下。 制样： 截取长度为 80 mm 的 PBO 纤维，将其两端 固定在长为 30 mm 、宽为 20 mm 的纸框上。将环氧树 脂、固化剂及固化促进剂按 100 ∶ 80 ∶ 1 混合，并搅拌 均匀制成胶液，然后用细针头吸取胶液，并挤出使之包 裹在纤维单丝上，然后按照前述环氧树脂固化工艺固 化。要求纤维在树脂颗粒中的包埋长度基本相同，制 样和测试示意图见图 2。 界面剪切强度测试： 采用常州双固公司的 YG020B 型电子单纱强力仪进行界面剪切强度测试。将制好的 样品夹在夹具中间，小球卡在卡孔上，夹持长度为 20 mm，拉伸速度为 20 mm / min，每组测试 30 个 有 效 数 据。
X 射 线 光 电 子 能 谱 仪 （ XPS ） 型 号 为 VG-ESAL-
AB250，电压 15 kV，输出功率 250 W，能量和能量差分
别为 20 eV 和 0． 05 eV，采用电荷中和和碳污染峰 Cls
（ 285． 0 eV） 作为校准标准。弯曲性能在深圳市新三思