空天交变温度场作用下碳/双马来酰亚胺树脂基复合材料的损伤效应及机理

碳/双马来酰亚胺树脂基复合材料在飞机和直升机的机身、机翼等结构中具有广泛应用。在空天交变温度场作用下，碳/双马复合材料受到损伤会直接影响飞行器服役的可靠性与寿命。为了揭示碳/双马复合材料在空天交变温度场作用下的损伤效应与机理，在-140～+180℃真空交变温度场、高温和低温（大气）条件下，将对碳/双马复合材料及树脂浇铸体的力学性能、热膨胀行为和质损率的变化规律进行表征，并采用SEM、DMA、AFM、XPS和FTIR等分析方法对试样表面形貌、断口特征及表层化学成分及结构进行研究，通过理论分析、地面模拟试验与原位测量、计算机模拟等多种研究手段，实现对空天交变温度场典型环境损伤效应、材料性能演化与表征、建立空天环境效应损伤模型等研究取得突破性进展。在此基础上为无人长航机等长寿命空天飞行器和大飞机用高性能结构材料的选材、优化设计及其服役寿命等决策工作提供科学可靠的依据。

碳/双马来酰亚胺树脂基复合材料在飞机和直升机的机身、机翼等结构中具有广泛应用。在空天交变温度场作用下，碳/双马复合材料受到损伤会直接影响飞行器服役的可靠性与寿命。本项目对碳/双马复合材料在空天交变温度场、湿热、高温和低温作用下的损伤效应与机理进行了研究。研究结果表明，6421树脂的拉伸强度和弯曲强度随着液氮浸渍时间的延长表现出先下降后上升的趋势。短时间的液氮浸渍能够使树脂表面缺陷处的应力集中产生破坏，导致树脂的力学性能下降。长时间的液氮浸渍将使树脂的自由体积减小、密度增大、树脂强度和刚度增大。T700/6421复合材料的横向拉伸强度和弯曲强度随着液氮浸渍时间的延长表现出先下降后上升的趋势，长期液氮浸渍后复合材料的层剪强度下降。液氮浸渍一方面能使T700/6421复合材料基体变脆，导致其横向拉伸强度和弯曲强度上升，同时使复合材料中纤维与基体间界面粘接遭到破坏，使复合材料的层剪强度下降。随真空热循环次数增加T700/5429和T700/6421复合材料的质损率先增加后趋于平缓。复合材料90°拉伸强度在循环初期先下降后升高，最终变化趋于平缓。层剪强度在真空热循环初期先下降，随后又逐渐上升，弯曲强度也出现同样的变化规律。经过真空热循环后复合材料Tg升高，高温储能模量升高，界面性能下降，是物理老化、后固化及热应力综合作用的结果。T700/5429和T700/6421复合材料吸湿行为符合Fick第二定律。随吸湿量的增加复合材料90°拉伸强度先上升，后缓慢下降，干燥后强度仍然降低。层剪强度随吸湿量的增加逐渐降低，干燥后继续降低。弯曲强度随吸湿量增加变化不明显，但干燥后比原始态的略有下降。湿热环境对材料造成了损伤，在较高温度/湿度下材料的耐湿热性能下降。高温老化过程中T700/6421复合材料和6421树脂的质损率随时间的延长单调增加。高温老化后复合材料和树脂表面颜色变黑，交联密度增加，Tg升高，发生了明显的物理老化和化学老化。上述研究成果为更合理选择飞行器用碳/双马复合材料提供了依据和参考，具有重要的科学意义及实际工程应用价值。