冻融作用下热塑性pCBT复合材料界面相性能演变机制与增效设计

pCBT composites are new type of thermoplastic with high performances. Severe conditions, for example freeze-thawing etc, should be considered,when they are utilized in shipbuilding.This project aims to the evolution mechanism and improvement design of the interphase of pCBT composites under freeze-thawing condition. In the studies, the microscopic parameter of pCBT composites are to be investigated,and the relations between interface parameters and water absorption/freeze的-thawing are to be studied. A coupling model of composites under freeze-thawing conditions will be built and a simulation method will be built to predict the freeze-thawing performance of unidirectional laminates, and the improvement design scheme of pCBT composites will be proposed.The results of this project will benefit anti-freeze-thawing improvement design and pCBT composites application in cold area, and also very important to the interphase theory of composites.

pCBT复合材料是一种新型高性能热塑性材料体系，服役于船舶等结构中面临吸湿冻融等恶劣环境考验。考虑界面相显著影响着复合材料吸湿性继而影响复合材料抗冻融性能，本项目主要对冻融作用下pCBT复合材料界面相性能演变机制与增效设计方法开展研究。具体工作中，首先针对典型增强纤维的pCBT复合材料界面相参数进行表征，研究吸湿性特征/抗冻融性与界面相参数的相关性；应用跨尺度方法（界面相尺度到宏观尺度）建立冻融作用下复合材料多因素耦合响应模型，揭示冻融作用下pCBT复合材料界面相演变机制；同时，建立冻融作用下pCBT复合材料单向板性能预报方法，实现其界面相参数增效设计。本项目的研究可为pCBT复合材料抗冻融改性和寒地应用提供支持，对拓展复合材料界面相理论也具有学术价值。

服役环境下的pCBT复合材料受到温度循环与湿度耦合作用，复合材料的冻融老化将导致制品及构件的力学性能衰减以及尺寸变形，极大缩减了服役寿命。目前，针对热塑性复合材料的冻融老化研究相对较少，尤其缺乏对冻融机制与性能预报方法。本项目开展了pCBT复合材料吸湿实验与冻融老化实验，揭示其冻融老化机理以及诸多工况下的性能演化规律，旨在为复合材料在抗冻融与耐老化的研究提供理论依据。.主要研究内容以及取得的重要结果：.1).复合材料界面相参数与吸湿性参数关联.通过吸湿实验与数值模拟研究了复合材料的吸湿行为。针对复合材料非线性吸湿行为，对比分析了Fick模型、Langmuir模型与两阶段吸湿模型在吸湿行为预测方面的优缺点，发展了单向层合板的正交各向异性的两阶段吸湿模型，更为准确的计算层合板的三维吸湿参数，并用于用于吸湿扩散的模拟。针对界面在复合材料吸湿过程中的加速作用与抑制作用，引入界面相参数对Halpin-Tsai公式修正，提出了界面扩散系数临界值来揭示界面对复合材料吸湿过程的作用机理。.2).冻融下作用下多因素耦合响应模型及界面相性能演化机制.开展复合材料的吸湿老化与冻融老化实验来研究复合材料的多因素耦合力学老化行为。通过干态冻融、浸水冻融与浸水处理三种类型老化环境，研究冻融循环，浸水环境以及吸湿-冻融耦合作用对复合材料静态、动态力学性能的影响，通过金相显微镜观察、线膨胀系数测定、扫描电镜、动态热力学分析、红外扫描分析、接触角测量等表征方法揭示冻融老化机理，建立冻融环境参数与力学参数的关联函数，并对其力学性能进行预报。.3).冻融作用下复合材料单向板跨尺度性能预报及界面相增效设计.将吸湿参数与界面参数的关联函数，以及冻融环境参数与力学参数的关联函数引入内聚力单元模型，建立冻融作用下复合材料性能演变本构模型，研究在拉伸、压缩、剪切载荷作用下的渐进失效过程，实现复合材料渐进失效过程模拟。