碳纤维增强环氧树脂基复合材料湿热残余应力的微Raman光谱测试表征

       采用微Raman光谱仪对碳纤维增强环氧树脂复合材料CF/ EP（纤维体积分数为30%）的湿热残余应力进行了研究。实验结果表明：湿热残余应力能够使碳纤维Raman光谱发生频移，根据频移可对纤维所受湿热残余应力进行表征：选择合适的试验点是复合材料湿热残余应力Raman测试成功的关键：在湿热环境下长期吸湿，纤维所受轴向残余应力由吸湿前的热残余压应力转变成吸湿后的湿热残余拉应力；由吸湿后碳纤维所受湿热残余拉应力减去吸湿前热残余压应力获得的吸湿拉应力非常大，平均为2272 MPa，接近所用碳纤维的拉伸强度(2800 MPa)；适当的加工热残余压应力有利于降低吸湿导致的应力。

       碳纤维增强环氧树脂基复合材料在自然环境中使用或贮存时受湿热因素的影响显著。研究表明，复合材料吸入的水分会对基体树脂产生塑化或溶胀作用。由于复合材料中的碳纤维基本不吸湿，则吸湿的树脂与不吸湿的纤维之间存在着湿膨胀即溶胀量的明显差异。基体的极性越高，吸湿量越大，纤维与基体湿膨胀间的不匹配性就越明显。这种不匹配必然在基体与纤维界面上产生内应力；同时，复合材料吸水后，水分在基体中的分布并不均匀，基体各部位水分含量不同将导致基体各部位溶胀量不一样，这也会在复合材料内产生内应力；如果吸湿时环境温度较高，复合材料内部还会有热膨胀应力。上述残余内应力和材料制备导致的热残余应力耦合后即为湿热残余应力。

       如果湿热残余应力足够高，势必导致纤维与基体之间的界面脱粘与开裂。长期存在的残余应力反复作用并达到某一量级时还会引起应力开裂形成的龟裂纹扩展，最后可能形成宏观裂纹，导致复合材料损伤。因此，在碳纤维增强环氧树脂复合材料老化影响因素中，湿热残余应力是一个重要因素，研究其对复合材料制备和老化寿命预测具有重要的参考作用。

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