缠绕碳纤维增强环氧树脂复合材料储氢罐的多尺度疲劳损伤分析

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本文通过多尺度实验研究，系统分析了采用缠绕工艺制造的碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）在轻量化储氢压力容器中的疲劳性能。研究采用拉-拉加载控制疲劳试验与高分辨率物理化学表征相结合的方法，定量评估孔隙率对力学性能的影响。结果表明，孔隙作为损伤萌生点，促进裂纹萌生、纤维-基体界面分离和纤维断裂等损伤机制的发生。在介观尺度上，微缺陷聚集形成横向裂纹和分层，导致循环加载下出现复杂的失效模式。拉伸试验结果表明纤维铺层方向对材料力学性能有显著影响：±15°铺层配置表现出最高的拉伸强度和弹性模量，而±30°和多层配置则具有更高的延伸率。疲劳试验确认纤维方向对疲劳寿命有重要影响，±15°配置表现出最强的抗疲劳性能。显微分析表明孔隙通过诱发基体开裂、纤维-基体脱粘和分层等损伤机制加速失效。研究强调了在制造过程中加强孔隙率控制以提高储氢系统耐久性的必要性，同时为优化纤维铺层方向以改善实际应用中的疲劳性能提供了有价值的指导。

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