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原文传递耐高温树脂基碳纤维复合材料的湿热及热氧老化行为

论文题名：	耐高温树脂基碳纤维复合材料的湿热及热氧老化行为
关键词：	汽车传动轴;耐高温树脂基碳纤维复合材料;湿热老化;热氧老化;力学性能
摘要：	近年来，国家积极推进汽车行业节能减排，各个汽车主机厂大力进行汽车零部件轻量化，以满足国家相关环保政策。碳纤维复合材料具有轻质高强的特点，逐渐被应用于汽车零部件的制造中。传动轴作为弹簧以下的结构及旋转部件，减重效果比车身件的减重效果更加明显，因此轻质高强碳纤维复合材料传动轴的应用研究对汽车轻量化具有重要的意义。传动轴在底盘的布置中紧挨排气管，长期处于较高的温度，而且汽车还可能在高温（如沙漠地区）沙漠、高湿热（赤道附近的沿海地区）等苛刻环境下使用，因此复合材料传动轴的湿热老化和热氧老化等特性的研究对其推广应用具有十分重要的意义。本文选择了应用于某款碳纤维复合材料传动轴中的耐高温环氧树脂/碳纤维材料体系作为研究对象，系统研究了复合材料的湿热老化及热氧老化行为，为该款传动轴的服役条件提供了关键数据。本研究具体的方法和结论如下: 　　（1）采用差式扫描量热仪表征HY-230型树脂的固化特性并确定固化方案，最终确定的方案为140℃下固化40min。采用真空辅助树脂导入（VARI）成型工艺制得不同厚度的复合材料层合板并对其静态力学性能、耐热性能和截面形貌进行表征。结果表明，层合板力学性能优异且稳定，纤维与树脂之间结合紧密，界面性能良好。　　（2）湿热老化对复合材料的性能影响。将复合材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切等测试样条分别置于40℃和60℃的水浴（100%湿度）中老化60天，定期取出试样进行水吸收与扩散测试及其力学、热力学等性能表征。在40℃的热水浸泡下，复合材料在水浸泡后400h达到吸湿平衡，水在该材料体系中的扩散系数为1.919×10-3mm2/h；在60℃热水浸泡下，复合材料在170h左右达到了吸湿平衡，水分子的扩散系数为4.626×10-3mm2/h。可见湿热老化温度越高，水分在复合材料中的扩散速度越快。在40℃水浴条件下老化60天后，该复合材料的拉伸、压缩和弯曲力学性能的保留率都在87%以上，层间剪切强度保留率为82%；SEM测试结果表明表明在40℃水浴中老化60天后，材料的拉伸截面断口不平整，纤维表面附着的树脂变少，但纤维/树脂界面性能依旧保持良好。而在60℃水浴条件下老化60天后，该复合材料的拉伸、压缩和弯曲力学性能的保留率都在83%以上，层间剪切强度保留率为70%；SEM测试结果表明在60℃水浴下老化60天，发现树脂脱落较多，基体开裂，纤维/树脂界面粘结性能出现问题。DMA测试结果表明，该复合材料在40℃和60℃水浴老化60天后，其玻璃化转变温度几乎没有变化。HY-230型树脂的红外谱图显示复合材料经水浴湿热老化后，几乎没有发生化学变化。综合上述各类测试得出结论：该复合材料体系在40℃湿热环境下可以长期使用，在湿热环境下使用温度不宜超过60℃。　　（3）热氧老化对复合材料的性能影响。将复合材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切等测试样条分别置于140℃和200℃的烘箱中老化60天，定期取出试样，进行力学、热力学等性能表征。在140℃高温条件下老化60天后，该复合材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切强度的保留率都在80%以上；SEM测试结果表明表明在140℃下高温老化60天后，拉伸断口不平整，树脂基体开裂，界面发生了轻微脱粘。而在200℃高温条件下老化60天后，复合材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切强度保留率下降严重，其中剪切强度下降最为严重，下降了82%；SEM测试结果表明在200℃下高温老化60天，其纤维束分布发散，纤维几乎都以单根的形式出现，纤维表面光滑，纤维/树脂界面损伤严重。DMA测试表明在140℃下老化60天的材料，其玻璃化转变温度上升至192℃，而在200℃下老化60天后，材料的玻璃化转变温度下降至151℃。HY-230型树脂的红外光谱分析显示长期处于热氧环境中，氧气会更快地和树脂基体发生氧化反应，生成更多的羰基基团。综合上述各类测试得出结论：该复合材料体系的最高使用温度在140℃左右。
作者：	毛毅玮
专业：	材料工程
导师：	詹亚歌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东华大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文