常温固化碳纤维/环氧复合材料的吸湿和玻璃化转变温度动力学

摘要整理

碳纤维增强复合材料（CFRP）广泛应用于土木、海洋和海军基础设施的改造、修复和加固。在这些应用中，复合材料长期暴露于湿度和浸泡等环境条件下，这些条件已被证实会影响树脂和纤维-基体界面的耐久性。本研究对湿热老化的湿法铺层碳纤维/环氧复合材料进行了长期研究，通过温度加速老化，系统阐明了吸湿动力学及其对玻璃化转变温度（Tg）、界面和层间/层内性能特征的影响规律。建立了包含扩散、松弛/劣化和过渡三个阶段的双相吸湿模型，能够准确描述吸湿过程。通过在扩散系数和松弛系数中引入损伤项，有效捕捉了吸湿过程中的变化规律，扩散系数和松弛系数随纤维体积分数和温度增加而增大。研究表明，吸湿（包括加速老化条件下的高温吸湿）对Tg和弯曲强度的影响呈现三阶段递进规律，与吸湿变化过程相关联。Tg下降率为每增加1%吸湿量下降4.38%～6.95%，其中最高纤维体积分数在最高温度下下降最小（4.38%），中等纤维体积分数在最低温度下下降最大（6.95%）。使用较重织物的复合材料在Tg和弯曲强度上的下降幅度最大，表明两者之间存在相关性。Tg和弯曲强度均表现为初期急剧下降、中期缓慢下降、后期趋于渐近平台的三阶段特征，与吸湿动力学过程密切相关，为后续建模提供了基础。

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