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摘要

本研究探討了T700/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在高溫條件下的力學(xué)行為與孔隙特征。在23°C至170°C溫度范圍內(nèi)，對復(fù)合材料試樣進(jìn)行了0°/90°方向的壓縮、拉伸、層間及面內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)，獲取了真實(shí)應(yīng)變-應(yīng)力曲線。通過掃描電子顯微鏡和X射線斷層掃描技術(shù)，對試樣截面及斷裂區(qū)域進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，以揭示微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)性。

研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能普遍隨溫度升高而下降。通過對比斷裂形貌可知，隨著溫度上升，復(fù)合材料的斷裂機(jī)制從界面脫粘逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛w破壞?；赬射線斷層掃描圖像，重構(gòu)了高溫力學(xué)實(shí)驗(yàn)后孔隙結(jié)構(gòu)的三維形貌。結(jié)果表明，高溫條件下試樣的孔隙率普遍高于低溫條件。 特別在90°拉伸測試中，孔隙直徑主要分布在4-12μm范圍內(nèi)，且與斷裂邊緣不同距離處的孔隙尺寸基本保持穩(wěn)定。相比之下，90°壓縮測試試樣中觀察到的孔隙尺寸更大。

本研究中對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)測試的示意圖：(a) 0°壓縮與拉伸測試；(b) 90°壓縮與拉伸測試；(c) 層間剪切測試；(d) 面內(nèi)剪切測試。

為進(jìn)一步理解碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在機(jī)械與溫度載荷作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化，本研究開展了X射線計算機(jī)斷層掃描實(shí)驗(yàn)，并利用NRecon軟件對斷層掃描結(jié)果進(jìn)行定量分析。通過獲取復(fù)合材料在機(jī)械/熱載荷作用下的孔隙體積分?jǐn)?shù)、孔徑分布及斷裂位置信息，從而解析該材料在高溫環(huán)境下的變形/損傷機(jī)制。如圖所示，經(jīng)受機(jī)械與溫度載荷后的試樣被切割成3毫米x3毫米x2毫米的尺寸，隨后進(jìn)行X射線斷層掃描成像。

X射線計算機(jī)斷層掃描（X-CT）已被證明是觀察復(fù)合材料復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大工具[38,44–47]。為表征材料在溫度和應(yīng)力載荷作用后的孔隙三維信息，我們使用SkyScan-1272儀器對力學(xué)測試后的每個試樣進(jìn)行了X-CT測量。測試條件設(shè)定為80千伏電壓和100微安電流，對各狀態(tài)試樣進(jìn)行掃描。通過NRecon軟件重構(gòu)并可視化復(fù)合材料的三維形貌，每次測量的有效體素尺寸約為2微米。借助CTAN軟件，我們對孔隙的直徑分布、體積分?jǐn)?shù)等詳細(xì)信息進(jìn)行了系統(tǒng)分析和深入討論。

基于斷層掃描圖像重構(gòu)的不同溫度下90°拉伸測試后碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試樣的三維可視化圖像（上圖）與碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試樣內(nèi)部孔隙分布的三維可視化圖像（下圖）：(a) T=23°C；(b) T=70°C；(c) T=170°C

試樣在不同溫度條件下經(jīng)過90次拉伸和壓縮測試后的孔隙體積(%)

碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試樣的三維可視化圖像。上方為不同溫度下90°壓縮試驗(yàn)后通過斷層掃描圖像重建的效果，下方為碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試樣孔隙分布的三維可視化：(a) 23°C；(b) 120°C；(c) 170°C。

作者：Junjie Wen[1], Yi Wu[2], Xiao Hou,, Mi Yan and Yachao Xiao

[1] 文俊杰（第一作者），博士生，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院

主要研究方向：

·固體火箭發(fā)動機(jī)安全性研究

[2] 武毅（通訊作者），副教授/博士生導(dǎo)師，于2018年入職于北京理工大學(xué)

主要研究方向：

·固體發(fā)動機(jī)及推進(jìn)劑安全性

·固體推進(jìn)劑力學(xué)行為

·固體沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)

·燃燒與流動激光診斷技術(shù)主持自然科學(xué)基金/科工局以及航天等企業(yè)項(xiàng)目10余項(xiàng)。

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