温度对不同载荷下CF/PEEK复合材料力学性能的影响

《Polymer Composites》：Effect of Temperature on the Mechanical Behavior of CF/PEEK Under Different Loads

碳纤维增强聚醚醚酮复合材料在极端温度下的力学响应及失效模式研究显示，其承载能力随载荷类型和温度变化呈现显著差异，剪切载荷下基体主导型条件的强度衰减速度远超纤维主导型条件。当环境温度超过基体玻璃化转变温度（143°C）时，压缩强度衰减急剧，因基体横向支撑纤维的能力显著下降。实验观察表明，低温下CF/PEEK呈现脆性断裂，随温度升高失效模式逐渐转变为韧性断裂，临界温度为143°C。温度保护对复合材料结构设计至关重要，特别是压缩和剪切工况。

　　

摘要

作为航空航天及其他工程领域实现轻量化的核心结构材料，复合材料的实际使用性能常常会受到极端温度和复杂工作条件的影响。考虑到商用飞机的使用温度范围为?54°C至127°C，以及基体的玻璃化转变温度为143°C（$T_g$），本文系统研究了碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料在宽广温度范围（?60°C至300°C）内的力学响应。研究结果表明，在不同载荷下，纤维和基体的承载能力存在差异；以基体为主导的受力状态（剪切）对温度变化更为敏感，其强度衰减速度明显快于以纤维为主导的受力状态（拉伸和压缩）。然而，当环境温度超过143°C时，由于基体对纤维的侧向支撑作用减弱，压缩强度的衰减率会显著增加。实验后的试样断裂观察表明，CF/PEEK在低温下的失效模式倾向于脆性断裂。随着温度的升高，由于基体力学性能的退化以及纤维-基体界面粘结力的减弱，CF/PEEK的失效模式变得更为韧性。143°C是CF/PEEK在高温度下失效模式发生转变的临界温度。因此，对于承受压缩/剪切载荷的CF/PEEK结构，应加强温度保护，并特别注意由于基体相变导致的性能急剧下降风险。

亮点

• 优化的试样设计确保了实验的成功。
• 实验温度范围是根据飞机使用条件设计的。
• 研究了不同载荷和温度下的力学行为。
• 利用Ha/Springer模型预测了复合材料的力学性能。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

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