摘要

本研究探討了T700/環氧樹脂復合材料在高溫條件下的力學行為與孔隙特征。在23°C至170°C溫度范圍內，對復合材料試樣進行了0°/90°方向的壓縮、拉伸、層間及面內剪切實驗，獲取了真實應變-應力曲線。通過掃描電子顯微鏡和X射線斷層掃描技術，對試樣截面及斷裂區域進行微觀結構分析，以揭示微觀結構與性能的關聯性。

研究發現，碳纖維/環氧樹脂復合材料的力學性能普遍隨溫度升高而下降。通過對比斷裂形貌可知，隨著溫度上升，復合材料的斷裂機制從界面脫粘逐漸轉變為基體破壞。基于X射線斷層掃描圖像，重構了高溫力學實驗后孔隙結構的三維形貌。結果表明，高溫條件下試樣的孔隙率普遍高于低溫條件。 特別在90°拉伸測試中，孔隙直徑主要分布在4-12μm范圍內，且與斷裂邊緣不同距離處的孔隙尺寸基本保持穩定。相比之下，90°壓縮測試試樣中觀察到的孔隙尺寸更大。

本研究中對碳纖維/環氧樹脂復合材料進行靜態力學測試的示意圖：(a) 0°壓縮與拉伸測試；(b) 90°壓縮與拉伸測試；(c) 層間剪切測試；(d) 面內剪切測試。

為進一步理解碳纖維/環氧樹脂復合材料在機械與溫度載荷作用下的微觀結構變化，本研究開展了X射線計算機斷層掃描實驗，并利用NRecon軟件對斷層掃描結果進行定量分析。通過獲取復合材料在機械/熱載荷作用下的孔隙體積分數、孔徑分布及斷裂位置信息，從而解析該材料在高溫環境下的變形/損傷機制。如圖所示，經受機械與溫度載荷后的試樣被切割成3毫米x3毫米x2毫米的尺寸，隨后進行X射線斷層掃描成像。

X射線計算機斷層掃描（X-CT）已被證明是觀察復合材料復雜三維結構的強大工具[38,44–47]。為表征材料在溫度和應力載荷作用后的孔隙三維信息，我們使用SkyScan-1272儀器對力學測試后的每個試樣進行了X-CT測量。測試條件設定為80千伏電壓和100微安電流，對各狀態試樣進行掃描。通過NRecon軟件重構并可視化復合材料的三維形貌，每次測量的有效體素尺寸約為2微米。借助CTAN軟件，我們對孔隙的直徑分布、體積分數等詳細信息進行了系統分析和深入討論。

基于斷層掃描圖像重構的不同溫度下90°拉伸測試后碳纖維/環氧樹脂復合材料試樣的三維可視化圖像（上圖）與碳纖維/環氧樹脂復合材料試樣內部孔隙分布的三維可視化圖像（下圖）：(a) T=23°C；(b) T=70°C；(c) T=170°C

試樣在不同溫度條件下經過90次拉伸和壓縮測試后的孔隙體積(%)

碳纖維/環氧樹脂復合材料試樣的三維可視化圖像。上方為不同溫度下90°壓縮試驗后通過斷層掃描圖像重建的效果，下方為碳纖維/環氧樹脂復合材料試樣孔隙分布的三維可視化：(a) 23°C；(b) 120°C；(c) 170°C。

作者：Junjie Wen[1], Yi Wu[2], Xiao Hou,, Mi Yan and Yachao Xiao

[1] 文俊杰（第一作者），博士生，北京理工大學宇航學院

主要研究方向：

·固體火箭發動機安全性研究

[2] 武毅（通訊作者），副教授/博士生導師，于2018年入職于北京理工大學

主要研究方向：

·固體發動機及推進劑安全性

·固體推進劑力學行為

·固體沖壓發動機技術

·燃燒與流動激光診斷技術主持自然科學基金/科工局以及航天等企業項目10余項。

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