摘 要

复合材料的性能优于传统的金属材料，在于其高比强度（强度重量比）、高比模量（模量重量比）、抗疲劳、耐腐蚀、结构材料一体化成型等优点。它可以有效减轻结构重量。复合材料结构在应用中不可避免的会遇到机械连接部位的开孔问题。开孔破坏了复合材料的整体结构，降低了结构强度，同时对结构的防腐性能造成一定的影响。由于复合材料在各种复杂环境中服役，因此对复合材料机械连接进行加速模拟老化非常有必要。

本实验研究的是湿热老化和盐雾老化对玻璃纤维/乙烯基树脂复合材料螺栓连接性能的影响，老化时间为22天。在老化第6小时后、12小时后、1天、2天、4天、6天、10天、14天、18天、22天后进行螺栓组装连接测试。最后得出结论，在严格控制湿热，盐雾老化的温度和时间下，复合材料螺栓连接拉伸性能随着湿热老化时间的增加，其力学性能出现先上升，后下降的趋势，随着盐雾老化时间的加长，螺栓连接性能不断下降，此外玻璃纤维复合材料的吸湿量呈现先上升较快，后上升较慢的情况。分析了复合材料老化前后扫描电镜图，对复合材料湿热、盐雾老化机理进行简述。

关键词：复合材料；湿热老化；盐雾老化；螺栓连接；拉伸强度

Abstract

Composites are given preference over the traditional metal materials, due to their high specific strength (strength to weight ratio) and specific modulus (modulus to weight ratio) , fatigue resistance ,corrosion resistance and structural material integration molding. It can effectively reduce the weight of the structure. In the application of composite structures, the problem of hole opening in mechanical joints is inevitable. The open hole destroys the overall structure of the composite, reduces the structural strength, and has a certain influence on the corrosion resistance of the structure. Because composite materials always be used in various complicated environments, it is necessary to accelerate the aging simulation of mechanical connections of composite materials.

The effect of hygrothermal aging and salt fog aging on the bolt joint performance of glass fiber / vinyl resin composite was studied in this experiment. The aging time was 22 days. After aging sixth hours, 12 hours, 1 days, 2 days, 4 days, 6 days, 10 days, 14 days, 18 days, 22 days later, bolt assembly and connection test was carried out. Finally we come to the conclusion that with the increase of hygrothermal aging time, the mechanical properties of composite bolt joint firstly increased and then decreased. As the aging time of salt fog increases, the performance of bolt connection decreases continuously. This all conclusions are summarized under the strict control of damp heat and the temperature and time of salt fog aging. In addition, the moisture absorption of glass fiber composite increased first and then increased slowly. The scanning electron microscope (SEM) diagram of composites before and after aging is analyzed. The mechanism of hygrothermal aging and salt fog aging is briefly described.

Key words: composite; hygrothermal aging; salt fog aging; bolt joint; tensile strength

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及目的意义 1

1.2国内外研究现状 4

1.3本文研究内容 5

第二章 复合材料螺栓老化实验 7

2.1实验原材料及所需设备 7

2.2复合材料试样制备 7

2.2.1凝胶实验 7

2.2.2厚度实验 8

2.2.3试样制备 9

2.3模拟加速老化实验 9

2.3.1湿热老化 10

2.3.2盐雾老化 10

2.4吸水率测试 10

2.5力学测试 10

2.6小结 12

第三章 结果与讨论 13

3.1吸水率结果与讨论 13

3.2表面外观结果与讨论 14

3.3拉伸强度与应力结果与讨论 16

3.4微观形貌分析 18

3.5小结 19

第四章 结论与展望 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1研究背景及目的意义

近年来，纤维增强树脂基复合材料因其比模量高、比强度高、密度低、耐腐蚀以及结构可设计等特点，在航空航天、汽车、船舶、高铁、化工、建筑、土木工程、体育休闲、风力发电等领域内得到大规模的应用，其用量及重要性逐年上升^[1]。其中以玻璃纤维增强树脂基复合材料应用较为广泛。复合材料在新一代大型商用飞机中使用量增加更加明显，如在空客A350XWB和波音787中，复合材料的使用量已经超过50%^[2]。在船舶中的应用也日益增加。复合材料在这些领域中应用的同时往往要经受复杂的气候环境，包括湿热、高温、低温、盐雾、紫外光等环境因素，在这样的环境中应用材料会发生老化，这种老化包括复合材料基体的塑性变化、化学变化、应力状态的变化以及基体和纤维连接界面的分离等，这些老化因素都可能导致复合材料层合板性能降低^[3]。在应用中，复合材料多被用作起承载作用的结构材料，所以力学性能的好坏对于复合材料来说相当重要。一旦力学性能下降，整个结构就可能破损甚至失效，因此研究复合材料在使用环境中的老化行为非常必要。

复合材料虽然具有减少结构数量的优越条件，但是由于尺寸、设计、制造、成本和使用维护等方面的限制和需要，还是不得不设计一定的分离面、多种外挂接口和维护口盖等，因此结构连接是不可避免的^{[4, 5]}。随着复合材料在各种工程中的应用日益广泛，对复合材料性能的表征也越来越多。在复合材料设计中，复合材料的连接部位容易发生破坏。有研究表明，在实际应用中，飞机机体结构的零件连接部位的破坏占比飞机结构部件出现的各种故障破坏有75%~80%^[6]。 此外飞机雷达罩和舰船雷达罩因连接强度不足而破坏的例子也非常常见^[7]。因此，有必要在老化的基础上对复合材料连接进行研究。