● 摘要
碳纤维增强的环氧树脂基复合材料由于其各方面的优异性能已经被广泛应用于航空、航天、船舶、建筑、电子、化工等高新技术领域。随着碳纤维/环氧树脂基复合材料的广泛应用，人们发现碳纤维/环氧树脂基复合材料在外部环境因素的作用下会发生腐蚀破坏，其强度、韧性、内部结构及成分等都会降低或改变。目前，国内外都对此进行了大量的研究，但仍然没有成熟的适于评定复合材料腐蚀程度和腐蚀速率的方法，更加缺乏实验室仿真加速腐蚀试验方法。 本文选取特定地域的环境数据，通过对数据的筛选，设计出针对碳纤维/环氧树脂基复合材料的实验室仿真加速腐蚀试验方法。利用氙灯老化箱及水浴浸泡，对碳纤维/环氧树脂基复合材料进行仿真加速腐蚀试验。通过力学性能测试、光学显微镜及扫描电镜观察、红外光谱分析等手段，从宏观及微观对其腐蚀破坏机理进行分析。同时，通过与自然大气环境腐蚀结果进行对比，创新性利用对自然大气环境腐蚀数据回归分析所得的中值曲线，确定实验室仿真加速腐蚀与自然大气环境腐蚀之间的当量关系。 本文进一步采用有限元分析软件对斜纹编织碳纤维/环氧树脂基复合材料的吸湿特性进行分析计算，并与试验结果进行对比分析。研究结果包括：1. 编制了针对碳纤维/环氧树脂基复合材料在特定地域的环境谱，建立了实验室仿真加速腐蚀方法。2. 在仿真加速腐蚀过程中，浸泡使水分子进入复合材料内部，试样增重，氙灯光照使水分子从试样内部逸出，试样增重率下降，试样表面树脂龟裂逐渐加重，使得水分子更易进出试样。3. 实验室仿真加速腐蚀导致材料表面产生裂纹，进而发生龟裂，表面树脂基体层剥落，局部暴露出碳纤维；并且试样的纤维与树脂基体之间的界面发生破坏，破坏形式从纤维的成束拔出转变为纤维的单根拔出，从而降低复合材料的力学性能。4. 与自然大气环境腐蚀试验结果相比，单排复合材料试样实验室仿真加速腐蚀试验1个月相当于自然大气环境腐蚀4.5个月，而编织复合材料试样实验室仿真加速腐蚀试验1个月相当于自然大气环境腐蚀7个月。5. 溶液浸泡使复合材料力学性能显著下降，温度越高，浸泡时间越长，吸湿量越高，力学性能下降越显著。6. 在腐蚀过程中，溶液浸泡使复合材料的树脂基体发生溶涨，导致纤维之间的搭结点数减少，从而使其横向和纵向电阻值增大。7. 建立了针对斜纹编织碳纤维/树脂基复合材料的有限元分析模型，计算结果表明：水分子在复合材料内部的扩散行为符合Fick第二定律，但由于实际材料内部结构中缺陷的存在以及结构的破坏，导致计算结果与实际测试结果略有差异。