基于横向拉伸法对碳纤维环氧树脂低温界面性能的研究.docx

基于横向拉伸法对碳纤维环氧树脂低温界面性能的研究
基于横向拉伸法对碳纤维环氧树脂低温界面性能的研究
摘要：
碳纤维增强环氧树脂复合材料因其高强度、高刚度、低密度等优良性能被广泛应用于航空航天、汽车和船舶等领域。然而，在低温环境下，由于其热胀冷缩系数不同，界面剪切应力会增强，从而影响碳纤维与基体之间的粘结性能。本文通过横向拉伸法研究了不同温度下碳纤维环氧树脂复合材料界面的力学性能，并对碳纤维与基体之间的结合机理进行了探究。实验结果表明，随着温度降低，界面粘合强度逐渐降低，但在低温时，碳纤维与基体之间的结合强度仍然比较高。通过断口观察分析、红外光谱分析以及X射线能谱分析等多种手段，揭示了低温条件下碳纤维与基体之间的结合机理，这对于后续优化材料的设计具有重要的指导意义。
关键词：碳纤维；环氧树脂；低温界面性能；横向拉伸法；结合机理
Abstract:
Carbonfiberreinforcedepoxyresincompositesarewidelyusedinaviation,automobile,shipbuildingandotherfieldsduetotheirexcellentproperties,suchashighstrength,highstiffnessandlowdensity.However,atlowtemperatures,thedifferenceinthermalexpansionandcontractioncoefficientswillenhancetheinterfacialshearstress,therebyaffectingthebondingperformancebetweencarbonfiberandmatrix.Inthispaper,themechanicalpropertiesofcarbonfiber-epoxyresincompositeinterfacesatdifferenttemperatureswerestudiedbytransversetensiletest,andthebondingmechanismbetweencarbonfiberandmatrixwasexplored.Theexperimentalresultsshowthattheinterfacebondingstrengthgraduallydecreaseswiththedecreaseoftemperature,butthebondingstrengthbetweencarbonfiberandmatrixisstillrelativelyhighatlowtemperature.Throughtheanalysisoffractureobservation,infraredspectroscopyandX-rayenergyspectrumanalysis,thebondingmechanismbetweencarbonfiberandmatrixatlowtemperatureisrevealed,whichhasimportantguidingsignificanceforthesubsequentdesignoptimizationofmaterials.
Keywords:Carbonfiber;Epoxyresin;Lowtemperatureinterfaceperformance;Transversetensiletest;Bondingmechanism
1.引言
碳纤维增强环氧树脂复合材料由于其优良的力学性能，如高强度、高刚度、低密度等，在航空航天、汽车和船舶等领域得到了广泛的应用。由于高速飞行、高温、低温等极端工作条件的存在，碳纤维-环氧树脂复合材料需要具备优异的高温和低温性能。低温环境下，由于其热胀冷缩系数不同，导致碳纤维与基体之间的界面剪切应力将增强，从而影响材料的粘结性能。
为了研究碳纤维-环氧树脂复合材料在低温环境下的界面粘结性能，本研究采用了横向拉伸法，即在跨度方向对试样加以拉伸，以模拟碳纤维与基体之间的剪切应力，探究了不同温度下碳纤维-环氧树脂复合材料界面的力学性能，并分析了碳纤维与基体之间的结合机理。
2.实验方法
2.1实验材料
本研究采用含有45%碳纤维的环氧树脂复合材料作为试样，碳纤维采用T700型号，基体采用E51型号。制备方法为手层叠压制法。
2.2横向拉伸实验
横向拉伸试验采用万能材料试验机，试验温度为室温、-40℃、-60℃和-80℃，拉伸速度为1mm/min。试样的几何尺寸为50(mm)×10(mm)×2(mm)。测试长度为30mm，两端设置爪子夹住，中间进行拉伸。
2.3结果分析
拉伸实验结束后，采用显微镜观察断口形貌，通过红外光谱分析和