摘 要

本文通过试验的方法对湿热环境下碳纤维板的拉伸性能进行研究。湿热环境会引起复合材料各相界面老化，而且由于树脂和纤维的热膨胀系数相差很大，会引起结构内部的热应力和湿应力，这就是湿热效应。0°试样的主要受力部分为纤维，而90°试样的主要受力部分为树脂基体。本次试验采用恒温恒湿条件模拟自然条件下极端气候条件，设置条件为温度70℃，湿度为85%RH。首先对试样进行湿热处理，然后对试样进行拉伸试验，测量拉伸强度和拉伸模量。一共湿热处理了22天，拉伸过程中发现饱和吸湿的0°试样出现脱层现象。

研究结果表明：A12/EM112碳纤维复合材料单向板的饱和吸湿量在0.6%左右。0°试样和90°试样随着吸湿量的增加拉伸强度不断下降，而拉伸模量几乎不变。

关键词：碳纤维板；湿热环境；吸湿率；拉伸性能

Abstract

In this paper, the tensile properties of carbon fiber sheet under hygrothermal field are studied by means of experiments. The hygrothermal field can cause the composite materials to be aged, and the thermal expansion coefficient of the resin and fiber are very different, which can cause the thermal stress and the moisture stress in the structure. This is the damp heat effect. The main bearing part of the 0°sample is the fiber, and the main part of the 90°sample is the resin matrix. In this test ,we used the constant temperature and humidity condition to simulate natural conditions of extreme climatic conditions,the temperature is 70℃,the humidity is 85%RH. First,The specimen was subjected to hygrothermal treatment, then the tensile strength and tensile modulus were measured by tensile test. The treatment last 22 days,and the tensile process found that the saturated absorption of the 0°sample appeared to delamination phenomenon.

The result shows:The saturated moisture absorption of A12/EM112 carbon fiber composite material is about 0.6%. With the increase of the moisture content,the tensile strength of the 0°samples and 90°samples decrease. But,the tensile modulus have almost no change.

Key Words：Carbon fiber sheet； hygrothermal field；moisture content；tensile property

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.3 研究内容 3

第2章 湿热理论研究 4

2.1 湿热机理分析 4

2.1.1 吸湿规律 4

2.2.2 湿热影响 5

2.2 湿热模型分析 6

2.2.1 吸湿模型 6

2.2.2 湿热应力 7

2.3 湿热试验研究方法 8

2.4 本章小结 9

第3章 湿热试验研究 10

3.1 试验条件及准备 10

3.1.1 试验设备 10

3.1.2 试验方案 10

3.2 试样制备 11

3.3 试验过程 13

3.3.1 湿热处理过程 13

3.3.2 拉伸试验过程 13

3.4 本章小结 13

第4章 湿热试验结果分析 14

4.1 吸湿量变化分析 14

4.2 力学性能测试结果分析 15

4.2.1 数据离散性分析 15

4.2.2 0°试样结果分析 16

4.2.3 90°试样结果分析 18

4.3 误差分析 20

4.4 本章小结 21

第5章 总结和展望 22

5.1 总结 22

5.2 展望 22

参考文献 23

附录 25

附录A 拉伸试样尺寸 25

附录B 拉伸试样质量变化 27

附录C 拉伸试验数据 29

致 谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景

碳纤维复合材料（CFRP）是碳纤维或碳化硅等陶瓷纤维为增强体，以树脂为基体的复合材料的总称。作为一种先进的航天航空材料，它具有重量轻，模量高，比强度高，导热系数低，成本低等一系列的优点，在汽车、航天航空、舰船等领域有着广泛的应用，比如赛车机身、飞机机翼、机身等对结构有高要求的部件。

复合材料结构特点以及应用领域决定了其不同于金属材料结构的许多新性能表征要求，最重要的就是耐湿热性和抗冲击性。当飞机服役时，其常常处于长期的疲劳荷载和冲击荷载，而且高速以及高空还有内部引起的温度应力湿度应力变化影响，故在飞机的结构强度设计阶段，关于湿热环境影响的静强度设计和实验已经成为不可或缺的一部分。舰船长时间在海上航行，处于不同经纬度的潮湿环境中，再加上舰船内部锅炉等热源的影响，长期处于温湿度不停的变化中，在这样的环境里，碳纤维复合材料结构内部会造成一定的损伤，因此湿热环境对于舰船上的复合材料结构有重要影响。

当复合材料在湿热环境下服役时，不仅会引起各相界面以及各组元老化，同时水分和温度的共同作用下，也会使材料的边界和内部发生湿度应变和温度应变。从微观来看，在潮湿环境下，水分子会进入到树脂和界面内，起到塑化剂的作用，从而使得树脂变软，并发生不可逆的水解作用，同时，界面相在内应力的作用下发生破坏，这就使得复合材料的失效行为变得十分复杂。由于近些年来汽车飞机性能要求不断提升，制造厂家对复合材料的性能要求越来越高，而且复合材料自身具有组分多元性、结构多重性、失效模式多样性等特点，故研究人员需要更加深入的了解湿热环境下复合材料的力学性能，掌握温度湿度对材料力学性能的影响机理，从而为结构设计以及验算做出准确的指导。

1.2 国内外研究现状分析