樊俊铃，马国庆，焦婷，陈曾美，韩啸

1.中国飞机强度研究所 强度与结构完整性全国重点实验室，陕西 西安 710065

2.大连理工大学，辽宁 大连 116024

近年来,碳纤维增强复合材料（CFRP）不仅广泛应用于工业领域如航空航天、轨道交通、风力发电和汽车制造业等传统行业[1-3],还扩展到了高端医疗、建筑行业等领域[4]。碳纤维增强复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体,以树脂、陶瓷等为基体制备而成的复合材料。由于碳纤维增强复合材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、热膨胀系数小、低热导率和高残炭率等诸多优点,其被广泛应用于制造弹体整流罩、仪器舱等主要承力部件,而且在航空器结构的用量上,波音787飞机和空客A350飞机的机身复合材料用量已达到了50%以上[5-6]。碳纤维增强复合材料应用领域的多样性决定了其服役环境的复杂性,影响其性能的环境因素包括温度、湿度、化学腐蚀、紫外线和冲击载荷等,其中湿热环境老化因素是导致CFRP 性能下降的重要原因之一。当前,湿热环境下的复合材料损伤演化、服役寿命预测方法和试验技术尚未形成完整的研究体系,过度简化了服役环境对复合材料的老化作用机理。

本文归纳整理了国内外学者围绕加速老化环境试验、力学性能退化规律和湿热环境老化建模等研究工作,围绕温度和湿度等环境因素及其联合影响对CFRP 的作用机理,阐述了CFRP内部的水分扩散和损伤失效行为,讨论了CFRP在湿热环境老化研究方面存在的问题和挑战,并对可行的研究方向进行了展望。本文可以为CFRP的设计与制造、湿热条件下的损伤机理研究和服役寿命预测提供有益参考。

1 碳纤维增强复合材料环境影响因素

影响碳纤维增强复合材料性能的因素主要可以分为两类:外部环境因素和材料自身属性因素。CFRP在长期服役过程中,受到的环境干扰因素主要为温度、湿度、化学腐蚀、紫外线和外部载荷。碳纤维的吸湿能力有限,对CFRP 而言,其吸湿量主要取决于树脂,树脂性能易受到环境的影响发生较大改变[7]。CFRP为各向异性材料,其性能同时受到增强相材料、基体材料和制造工艺等影响,如碳纤维型号、纤维与基体的体积比、纤维铺层方向和固化工艺等[8-9]。本文主要从湿热环境因素对CFRP性能的老化影响进行归纳与分析。

复合材料环境老化试验方法主要包括自然环境老化试验和实验室环境加速老化试验两类。国内外研究人员为了缩短研究周期、掌握CFRP在复杂环境下的性能变化规律,实现对CFRP 湿热老化后的寿命预测,通常采用加速老化试验方法模拟实际环境中出现的老化影响因素[10-12]。利用实验室设计开展加速老化试验,通常将材料长期浸入指定温度的介质溶液中直至其吸湿饱和。Mamalis 等[13]为模拟由碳纤维增强复合材料制造的涡轮叶片在海水环境中的老化状态,将样本浸泡在50℃海水箱中持续6个月,发现由于海水老化导致材料强度明显下降。Mouzakis等[14]为了研究温度、湿度和紫外线辐射共同作用对复合材料的影响,设计了可以提供循环条件的老化环境室,对材料的拉伸性能和弯曲性能进行了测试,结果显示,复合材料的刚度增加而强度有所下降,并且在老化后的试件表面观察到了微小裂纹。陈伟明等[15]研究发现T800 碳纤维增强复合材料干态层间剪切强度达到122MPa。经过95℃蒸馏水浸泡后,该复合材料的玻璃化转变活化能变化幅度较小。我国航空工业标准HB 7401—1996《树脂基复合材料层合板湿热环境吸湿试验方法》也建立了实验室加速干燥和吸湿方法标准,该方法可以保证试验材料在工程能接受的较短时间内模拟其长期使用环境中可能达到的吸湿量。

2 温度对碳纤维增强复合材料性能影响研究

2.1 高温环境

树脂基碳纤维增强复合材料通常采用高温热固或者真空高压的方式成形[16]。CFRP处在高温环境中,会加剧分子热运动,基体发生软化,基体与纤维界面黏结性能降低,且纤维和基体的热膨胀系数存在差异,产生“离骨”现象,导致材料被破坏[17]。Wang 等[18]在22～706℃条件下对单向碳纤维增强复合材料层合板进行拉伸强度试验,表1 总结了试件在不同温度下施加拉伸载荷的失效模式。同时,图1(a)表明CFRP 试件的拉伸强度随温度升高明显降低。在520℃以下,应力与位移呈线性关系,在625～706℃之间,碳纤维发生氧化导致纤维损伤,应力与位移呈非线性关系。观察图1(b)发现,在20～150℃和450～706℃之间,CFRP 拉伸强度下降明显,300℃时的拉伸强度约为室温下的50%。

谭伟等[19]在80℃环境下对正交型树脂基碳纤维增强复合材料层合板的层间力学性能退化行为进行研究发现,在试验初期阶段,CFRP 层间剪切强度明显提高,层间拉伸强度无明显退化,但随着高温老化时间增加,拉伸强度和剪切强度均有退化。剪切强度先升高后降低有两个可能原因,一是树脂在高温下产生了后固化现象,二是高温环境使得制造CFRP时产生的界面内应力得到释放。随高温老化时间增加,树脂增塑和树脂/纤维界面黏结力降低,造成拉伸强度和剪切强度的降低。通过扫描电镜（SEM）双测CFRP的断裂面,发现老化前的CFRP 断裂面显示出纤维表面被树脂完整包覆,说明老化前的破坏主要是树脂开裂引起的,如图2(a)所示。而老化后的CFRP 断裂面可以观察到裸露的断裂碳纤维,说明树脂与基体的黏结力显著减弱,如图2(b)所示。冯振宇等[20]研究发现单向碳纤维增强复合材料层合板经不同温度烘干后,其压缩强度无显著变化,但湿热因素同时作用,复合材料的压缩强度随温度及湿度升高而下降。

表1 不同温度下施加拉伸载荷的失效模式［18］Table 1 Failure modes of specimens subjected to tensile loads at different temperatures［18］

图1 碳纤维增强复合材料板在不同温度下的力学性能[18]Fig.1 Mechanical properties of CFRP plate at different temperatures[18]

图2 碳纤维增强复合材料断裂面SEM图像[19]Fig.2 SEM images of fracture surface in CFRP composite[19]

许多学者在研究温度对碳纤维增强复合材料老化性能影响中,采用了试验测定与数学模型验证联合分析的方法。陈明[21]利用ABAQUS 建立了10 层碳纤维增强复合材料模型,分析试验和仿真结果得出温度升高带来的热应力和树脂软化分解是导致复合材料力学性能下降的主要原因。谭伟等[19]提出了层内损伤力学模型,建立了一种高温老化下的失效预测模型,对老化后的碳纤维增强复合材料层间力学性能进行失效预测,并得到不同老化衰减系数下的退化模型,同时结合试验结果验证预测模型,仿真与试验数据误差小于10%,说明了预测模型的准确性。张颖军等[22]改进了古尼耶夫中值老化公式,使得改进公式能够在不同老化环境中进行等效计算,并建立了碳纤维增强复合材料老化剩余强度的估算公式。结果表明,改进公式能够反映老化因素对材料性能的影响,与试验结果吻合较好。但该公式忽略了后固化随温度升高和时间增加对材料的增强作用,贾少澎等[23]据此改进公式,将碳纤维增强复合材料层合板在高温下发生的后固化增强作用与高温对纤维/基体界面产生的削弱作用进行合并,并考虑温度、湿度和时间对材料性能的叠加影响。通过将试验值与预测值进行对比,验证了该强度估算公式的误差控制在5%以内。

研究表明,在高温环境下,CFRP 层间剪切强度由于后固化的作用可能会在试验初期有所提高,而拉伸强度则会随着时间的增加而下降。高温环境会导致树脂增塑和纤维/基体界面黏结力的减弱,进而影响材料的力学性能。然而,研究中存在一些不足之处,例如,缺乏对高温下树脂后固化和界面黏结力变化的详细探究,以及对于预测模型的准确性和误差控制的验证也需要更多的试验数据支持。

2.2 低温环境

碳纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量和良好的热学性能,是制备超低温贮箱的首选材料之一。Yang等[24]研究发现环氧树脂基体的弹性模量和热膨胀系数与温度近似呈线性相关,如图3 所示。利用建立的有限元模型对低温下的残余应力进行预测,图4 表明两个相邻纤维的距离越近,纤维之间的基质中产生的残余应力越高。Coronado等[25]研究发现单向碳纤维增强复合材料层合板在低温时表现出更脆的特性,并且随着温度升高,基体延展性显著增加。

从微观角度分析,温度降低,碳纤维增强复合材料基体发生收缩和硬化,体积变小使得分子间距缩短,分子间作用力增加,基体的弹性模量和拉伸强度增加、热膨胀系数降低。在低温环境中,树脂和碳纤维的热膨胀系数不同导致产生残余应力,造成材料内部产生横向裂纹和脱黏。

图3 环氧树脂的弹性模量、热膨胀系数与温度的关系[24]Fig.3 Relationship between elastic modulus, thermal expansion coefficient and temperature of epoxy resin[24]

图4 有限元模型在-180℃下模型预测的残余应力分布[24]Fig.4 The residual stress distribution predicted by the finite element model at -180℃[24]

3 湿度对碳纤维增强复合材料性能影响研究

3.1 水分扩散理论

碳纤维性能稳定,吸湿能力有限,对多数树脂基碳纤维增强复合材料而言,吸湿量主要由树脂决定。水分在树脂基碳纤维增强复合材料中的扩散主要分为两部分:（1） 水分渗入树脂基体内部致使树脂溶胀,增加树脂分子间距,增加分子链柔性,导致树脂增塑[26-27]；（2） 在制造CFRP 的过程中,不可避免的材料缺陷、空隙、裂纹会导致水分子聚集,使得CFRP内部能够储存更多的水分。增塑现象会造成树脂拉伸强度和弹性模量的降低[28]。虽然众多研究中CFRP的材料、环境温度和固化工艺不同导致其水分扩散水平差异较大,但铺层方式对水分扩散速率的影响较小,见表2。

表2 不同铺层方式的碳纤维增强复合材料吸湿特性Table 2 Hygroscopic properties of CFRP with different layup configurations

碳纤维增强复合材料长期暴露在湿热环境中,会导致可逆的物理变化和不可逆的化学反应[32],如热膨胀会随着湿度和温度的降低而下降,但水解反应和微裂纹扩散是不可逆的。水分主要从以下三方面影响碳纤维增强复合材料的力学性能:（1） 水分在基体中扩散造成基体的力学性能变化；（2） 水分在基体中扩散,使得基体膨胀,导致纤维与基体脱离,造成CFRP界面性能的下降[33]；（3） 吸湿过程中,树脂基体与碳纤维的吸湿膨胀系数使得界面产生了湿应力[34]。随着吸湿量的增加,CFRP 的玻璃化转变温度、拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度和弹性模量降低,但韧性有所增加[35-37]。

3.2 吸湿老化试验

碳纤维增强复合材料的吸湿能力受溶液类型、温度、基体材料、制造工艺和纤维体积分数等因素影响。为探究上述因素对碳纤维增强复合材料吸湿能力的影响及引起的材料性能退化情况,国内外学者开展了大量研究。徐健[38]将CFRP 层合板在60℃水浴环境下分别浸泡5 天、20 天和75天,发现CFRP 层合板的水分吸收速率随吸湿量的增加而逐渐降低,直至材料达到吸湿饱和。通过解析Fick 扩散定律,得到该CFRP层合板的吸湿饱和时间为75天,饱和吸湿量为1.11%,平均吸湿率为1.95×10-7m2/s,吸湿环境如图5所示。

Kafodya 等[39]研究了浸泡在蒸馏水中和海水中的单向碳纤维增强复合材料层合板吸湿性差异和对其力学性能的影响。通过试验对比发现,碳纤维增强复合材料层合板在海水溶液中的平衡吸湿量比在蒸馏水中高,但是其扩散速率低于在蒸馏水中的扩散速率。因为海水中的离子对材料表面有腐蚀作用,使得CFRP表面被破坏,得到了更高的平衡吸湿量,但是海水中的高浓度盐分阻碍了水分渗透,造成了扩散速率的差异。经过20周的浸泡后,两种溶液中的碳纤维增强复合材料拉伸强度均无明显变化,如图6(a)所示。对于层间剪切强度,蒸馏水中的碳纤维增强复合材料下降约22.3%,海水中下降约25.9%,如图6(b)所示。

图5 碳纤维增强复合材料层合板吸湿试验[38]Fig.5 Moisture absorption test of CFRP laminates[38]

Da Silva 等[40]对浸在蒸馏水和人造海水中的单向圆柱形碳纤维增强复合材料棒横截面进行观测,发现了纤维/基质界面的脱黏现象。海水环境中的复合材料损伤程度高于蒸馏水中的复合材料,且损伤由相对稀疏和较小的空隙组成。

马贺[41]经过试验数据对比发现,相同温度下,单向碳纤维增强复合材料层合板的吸湿率和平衡吸湿量均低于相同基体材料的浇铸体。分析其原因,CFRP具有额外的吸湿量是因为水分的梯度扩散逐渐演变成沿材料缺陷和空隙发生毛细流动。在扩散速率方面,南田田等[42]经过试验研究发现,恒温恒湿的环境下,水分主要扩散至树脂基体中,水分扩散速率几乎呈线性变化；同时水分扩散速率主要受溶胀应力和高聚物松弛程度影响,后期吸湿率增加缓慢,逐渐达到平衡,但在短时间内难以达到饱和。

图6 碳纤维增强复合材料层合板的力学性能退化[39]Fig.6 Degradation of mechanical properties of CFRP laminates[39]

Zhang 等[43]就厚度对单向碳纤维增强复合材料层合板吸湿的影响进行了研究,经过试验研究发现,在相同的老化时间下,随着样品厚度的增加,CFRP 层合板的吸湿率在浸入初期降低,在浸入后期增加。同时,弯曲强度保持率通常随着样品厚度增加而增加,在吸湿老化中,也具有更好的强度保持行为。而拉伸性能主要由碳纤维的性能决定,其受到吸湿行为的影响较小。同时提出了加速因素分析模型,利用离散数据对CFRP 的老化行为进行了预测,并且与其所测得的试验数据相吻合。

Liu 等[44]研究交叉型碳纤维增强复合材料层合板的抗高速冲击性能时发现,由于水分使得基质软化,老化后的复合材料抗冲击性能得到了提高,弹道冲击测试系统如图7所示。

布特[45]通过对不同堆叠情况的碳纤维增强复合材料层合板做低速冲击试验,研究发现不同堆叠情况对CFRP 层合板吸湿扩散速率、吸湿量和低速冲击性能有着明显的影响。交叉层结构使用越多,碳纤维增强复合材料的吸湿能力越低。铺层数量越多,水分吸收越缓慢。

上述学者开展了对CFRP 吸湿性能、力学性能和冲击性能的研究。在吸湿性能方面,CFRP的水分吸收速率随吸湿量的增加而逐渐降低。研究发现在海水环境下,复合材料的吸湿量较高但扩散速率较慢,并且吸湿率随复合材料厚度增加而降低。在力学性能方面,海水和蒸馏水环境对CFRP的拉伸强度无明显影响,但其层间剪切强度随浸泡时间的增加明显下降。水分促进CFRP 基质软化,提高了其抗冲击性能。

3.3 吸湿模型

图7 弹道冲击测试[44]Fig.7 Ballistic impact testing[44]

现有文献表明,碳纤维增强复合材料中基体高聚物的吸湿会降低材料性能[46]。为了准确预测CFRP 由于吸湿引起的力学、热物理性能的长期老化行为,通过建模方法预测复合材料吸湿量对研究在役材料损伤和结构失效很有必要。预测吸湿引起的性能退化程度需要一个可以表达给定时间的吸湿量的准确模型,以及CFRP 在特定环境中完全饱和的平衡吸湿量。高聚物及碳纤维增强复合材料的吸湿行为在短时间内遵循Fick 扩散定律,该定律假设了水分可逆吸收并且吸收的水分子与高聚物之间没有发生化学反应。一维Fick扩散模型被广泛用于表征聚合物的水分扩散行为。该模型虽然在多数情况下有效,但由于碳纤维增强复合材料的各项异性三维扩散存在[47-48]和样本尺寸限制,可能使得计算结果产生显著误差。通过各向异性Fick扩散模型的三维形式可以准确表征水分的空间扩散规律。

CFRP内部的吸湿行为在短时间内遵循Fick扩散定律,第一阶段吸水后,材料发生化学反应产生亲水基团,同时溶质的阻碍作用使得各项异性复合材料的第二阶段水分扩散过程更加复杂。为准确描述复杂的扩散过程,国内外学者建立了大量经典的复杂吸湿模型,见表3。Grace 等[54]建立了一种新的三维各项异性Non-Fick受阻扩散模型,该受阻模型扩展了经典的Fick 理论,考虑了水分子与高聚物的化学反应和物理相互作用的影响。通过将结果与上述三维Fick模型的极限情况进行比较,验证了数值解的准确性,证明了所提出的受阻扩散模型的实用性。谭翔飞等[55]开展了碳纤维增强复合材料加筋壁板的吸湿特性研究,发现加筋壁板在吸湿后期存在明显的第二阶段吸湿现象,并提出了加筋壁板的第二阶段吸湿模型,并对该型结构的吸湿行为进行了有限元仿真,仿真结果与第二阶段吸湿曲线保持一致,计算误差在5%以内。

Arhant 等[56]采用两阶段模型建立了归一化模型,将归一化后的材料性能分别构造为T-Tg的函数和吸湿量的函数,使得每个阶段的性能退化都可以被表示为线性函数。Papanicolaou 等[57]也将环氧树脂体系的力学和黏弹性行为表示为吸湿量、温度和浸泡时间的函数。但Attukur Nandagopal[58]提出,这些模型没有考虑在浸泡时间相同的情况下可能会存在吸湿率不同的情况,即没有明确材料最初的降解情况。其修改了Cao 等[59]提出的半经验模型,采用了经验模型和二阶段模型,主要讨论了第一阶段水分扩散对力学性能的影响。其经过对大量模型的总结分析,发现复合材料老化后的拉伸强度、压缩强度和弯曲强度遵循三参数Weibull 分布。利用当前的模型,可以预测CFRP 老化后的强度及其相应的分布。于倩倩[60]则利用试验中的老化性能数据建立了二元线性回归模型,并对模型进行了显著性检测和预测,其模型预测精度较高,这证明了通过二元分析回归方法建立试件的湿热老化寿命模型,从一定程度上来说是可行的。

4 湿热耦合环境对碳纤维增强复合材料性能影响研究

碳纤维增强复合材料在实际使用中会长时间处于高温、高湿或海水环境中,而上述因素的耦合作用使得CFRP呈现出不同于单因素作用下的性能退化表现。碳纤维和树脂基体之间存在微裂纹,且随着温度的升高而逐渐外延。在此过程中,水分会扩散并存储在CFRP的裂缝中,加速其微裂纹的外延和水解反应的进行,而水的热膨胀会增加材料内部的湿热应力,对材料内部造成破坏[61-62]。表4总结了老化环境和老化时间对CFRP静态力学性能的影响。

表3 典型的复合材料吸湿模型Table 3 Typical moisture absorption model of composites

表4 不同老化环境对碳纤维增强复合材料静态力学性能的影响Table 4 Effects of different aging environments on the static mechanical properties of CFRP

Li 等[67]将交叉型碳纤维增强复合材料层合板样本[90/0/±45/0]浸在不同浓度的NaCl 溶液中,模拟复合材料在海水环境中的静态/动态力学性能退化,发现第一阶段中溶液温度对吸湿率的影响显著,温度越高,吸湿率和吸湿量越高。随老化时间的增加,基体材料开始膨胀松弛,内部裂纹扩展引起第二阶段吸湿,但该阶段吸湿量增加非常缓慢。在7 个月后将样品从溶液中取出放置在室温环境中,吸湿量越高的样本,解吸过程中吸湿量的下降幅度越大,如图8所示。其中,实线为模型拟合曲线,散点为试验数据。但不同的NaCl溶液浓度对CFRP的吸湿行为几乎没有影响。随老化时间的增加,碳纤维增强复合材料拉伸强度和玻璃化转变温度大幅度下降,但对材料的弹性模量和泊松比无明显影响。因为在水分扩散的影响下,基体出现溶胀和增塑现象,使得试件内出现层间界面性能失效,导致拉伸强度降低。对于单向碳纤维增强复合材料而言,弹性模量主要取决于碳纤维的力学性能。由于碳纤维在海水环境中的稳定性较高,单向碳纤维增强复合材料的弹性模量几乎不受影响。

图8 碳纤维增强复合材料在不同温度下3.5% NaCl溶液中的吸湿行为[67]Fig.8 Moisture absorption behavior of CFRP in 3.5% NaCl solution with different temperatures[67]

方毅[68]研究了不同温度浸泡环境对单向碳纤维增强复合材料层合板的拉伸疲劳性能的影响。20℃浸泡温度对CFRP层合板的疲劳性能基本无影响,最终破坏形式主要为非连续破坏。在40℃和60℃水中浸泡60天时,由于水分子的溶胀,增塑作用引起缺陷增加,复合材料内部微裂纹开始快速积累,最终造成板材失效,严重降低了板材的拉伸疲劳寿命。Ma 等[69]研究了湿热老化对交叉型碳纤维增强复合材料层合板[+45/0/-45/90]抗冲击性能的影响,发现湿热老化没有对冲击损伤样貌造成影响,但在所有试样中,凹痕深度与冲击能量之间存在一个拐点。当冲击能量低于此点时,凹痕深度随冲击能量的增加而缓慢增加,而当冲击能量较高时,凹痕深度急剧增加。

在湿热老化的数值模拟研究方面,Guo 等[70]通过多尺度有限元方法研究了碳纤维增强复合材料的老化规律、吸湿性和残余应力等湿热老化行为,并提出了一个缺陷假设来模拟湿热老化缺陷。在采用层内单元和层间单元建立试样尺寸的CFRP 模型时,分别引入三维应变形式Hashin 准则和改进的内聚力定律。利用遗传算法对湿热老化过程进行了定量表征。并且在力学性能和失效模式方面观察到试验结果和数值结果的一致性。与半经验方法相比,多尺度模型可以揭示微观结构演变与宏观性能退化之间的关系。

除了湿热老化因素,大气、紫外线、腐蚀性介质等也对碳纤维增强复合材料的力学性能产生很大的影响。对此,刘治国等[71]采用实验室加速腐蚀环境对多种环境共同作用下的单向碳纤维增强复合材料层合板性能退化做了研究。试验结果表明,经预腐蚀后的CFRP 静态力学性能和疲劳性能总体上随着腐蚀周期的延长呈递减趋势,层间剪切强度的下降趋势比疲劳性能和弯曲强度的下降趋势更为明显。Ding 等[72]研究表明,紫外线辐射降低了正交平纹型碳纤维增强复合材料层合板的力学性能,增加了材料的脆性,加速了刚度衰减,缩短了材料的疲劳寿命。

通过对CFRP 在不同环境条件下的力学性能进行研究,发现湿热老化、腐蚀性介质和紫外线辐射等因素对材料的力学性能产生了显著影响。在湿热老化方面,温度和溶液浓度对材料的吸湿行为和力学性能退化起着重要作用。但当前研究对不同环境条件下的材料物理机制和微观结构演变的解释还不够深入,需要进一步研究材料的微观结构和化学反应,以揭示其与宏观性能变化之间的关系,并且研究中多采用简化后的试验方法,对于复杂的湿热老化过程的定量表征仍然存在一定的局限性。可以考虑结合数值模拟方法,对湿热老化的过程进行更精确的模拟和预测。

5 结论与展望

近年来,围绕碳纤维增强复合材料的水分扩散建模、损伤演化机理和湿热老化性能退化等方面的研究不断深入,取得了丰富的研究成果。湿热环境下CFRP的界面结合性能下降,内部空隙和缺陷为水分扩散提供了空间,促进了裂纹进一步扩展,引起局部残余应力,造成刚度、强度退化和层间失效等。碳纤维增强复合材料种类繁多,制造工艺复杂,作为一种力学性能优异的新型材料,仍有诸多工程应用问题亟待研究。

（1）极端环境下碳纤维增强复合材料的性能研究

碳纤维增强复合材料广泛应用于飞行器结构和超低温贮存设备。实际服役环境可能面临各种极端工况,结构表面需承受极端温度、超高压强等极度恶劣环境。现有研究的试验环境参数设定普遍较为温和,缺少对极端环境下材料的性能退化研究。开展对极端环境中碳纤维增强复合材料的性能退化研究,拓宽应用领域,可以有效减轻设备重量,提升关键服役性能。

（2）循环湿热条件下的疲劳寿命预测

疲劳破坏是零部件失效的主要原因之一。对碳纤维增强复合材料在恒定湿热老化环境中的疲劳性能研究较多,但循环湿热条件碳纤维增强复合材料的损伤机制尚未明确,未能建立普遍适用的寿命预测模型。有必要掌握碳纤维增强复合材料的疲劳特性和寿命预测方法,为关键部件的设计开发提供理论支撑。

（3） 复杂环境下多因素耦合作用的损伤演化机制

受限于试验技术和多因素耦合作用下碳纤维增强复合材料内部复杂的湿热老化机制,目前的研究中多以恒温、恒湿和循环湿热条件为主,简化了服役环境对碳纤维增强复合材料的作用机制,其性能退化方面的研究需要充分考虑复杂环境因素、载荷类型、损伤演化等因素。探究盐雾、酸碱、紫外线、疲劳载荷等复杂环境作用下的损伤演化机制,建立微观破坏机理和宏观性能的映射关系,具有重要的理论研究和工程应用价值。

（4）实际构件的服役环境老化建模

碳纤维增强复合材料作为多相材料,其自身具有显著和丰富的细观结构特征,在湿热环境和大应变率冲击载荷作用下材料表现出复杂的失效与吸能机理,其部件有限元模型远比材料模型复杂,目前国内外学者针对材料层面及简化模型开展了较多研究,而对实际复杂构件的仿真分析较少。尤其对多向编织碳纤维增强复合材料和纤维缠绕先进碳纤维增强复合材料而言,具有显著的材料—结构—工艺相互影响特征,根据实际应用构件对不同服役环境的响应建立仿真模型,对服役性能评价和寿命预测将具有重要应用价值。

（5） 三维编织碳纤维增强复合材料的制造工艺及性能研究

三维编织复合材料制造及其应用研究一直是国内外三维复合材料的研究热点,三维编织复合材料较普通层合类复合材料具有更高的冲击损伤容限和断裂韧性,尤其适合异形构件的整体成形,但其制作周期长、成本相对较高,目前的应用仅集中在航空航天等领域,加强对三维编织工艺技术及性能的研究,有助于推进其在航空航天为代表的高新技术领域的发展和应用。