缠绕碳纤维增强环氧树脂复合材料中孔隙诱发损伤的多尺度实验研究——应用于储氢罐

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氢燃料汽车因仅排放水蒸气而具有环保优势，是传统汽车的可持续替代方案。本文研究了通过缠绕工艺制造的轻质储氢压力容器用碳纤维增强环氧树脂复合材料的微观结构与力学性能的关系。缠绕工艺虽然应用广泛，但常导致纤维取向不均和孔隙含量变化，从而影响复合材料结构的力学性能。本研究采用不同纤维取向角（±15°和±30°）和多层结构的碳纤维增强环氧树脂管材进行分析，评估这些变化对复合材料力学性能和损伤行为的影响。进行了物理化学表征、孔隙率测量和多尺度力学评估（包括拉伸试验和加卸载循环分析）。结果表明，孔隙率在5%~7%范围内时，对力学性能产生显著影响。在±15°和±30°纤维取向之间，杨氏模量下降40%；在多层结构中下降65%。微观上，孔隙的存在引发裂纹萌生，导致纤维/基体界面脱粘和纤维断裂。介观上，这些缺陷可相互连接形成横向裂纹和层间微分层，揭示了复合材料在加载下的复杂损伤行为。这些发现对改进储氢系统的设计和耐久性至关重要。研究表明，优化纤维取向和降低孔隙率是提高储氢容器力学性能和长期耐久性的关键因素。

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