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随着高性能复合材料的广泛应用，其在高温甚至火焰环境下的性能表现成为研究热点。其中，碳纤维增强邻苯二甲腈（Cf/PN）复合材料因其出色的热稳定性和机械性能而受到关注。然而，该类材料在火灾或高温暴露后的性能退化机制尚不明确，这限制了其在安全关键领域的应用。因此，研究Cf/PN复合材料在火焰作用下的行为及其后的残余性能具有重要意义。 近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室在碳纤维/邻苯二甲腈复合材料层压板的火行为与残余拉伸性能方面的研究。文章揭示了Cf/PN复合材料层压板在火焰作用下的性能变化，并为其在工程实践中的安全应用提供理论支撑。论文标题为“Fire behavior and post-fire residual tensile strength prediction of carbon fiber/phthalonitrile composite laminates”。
该研究首先制备了Cf/PN复合材料层压板试样，并对其进行了单侧火焰加热试验，以模拟实际火灾场景中的受热情况。随后，通过准静态拉伸试验，评估了试样在不同火焰加热时间后的残余拉伸性能。
单侧火焰加热试验旨在模拟层压板在实际火灾中可能遭遇的热环境，并探究其在此环境下的热响应。试验过程中，严格控制了火焰温度、加热时间等关键参数，以确保结果的可靠性和重复性。同时，对加热后的试样进行了详细的宏观和微观观察，记录了试样的形变、颜色变化等信息。
图 4. Cf/PN 层压板暴露于火焰后的表面宏观形貌。 此外，该文章探讨了碳纤维/邻苯二甲腈（Cf/PN）复合材料层压板火后残余拉伸性能研究相关的实验程序和数值模拟。使用电子万能试验机测量热解前样品的残余拉伸性能，而使用伺服液压试验机进行火后拉伸试验。为所有拉伸测试设定特定的加载速率，并针对每种火焰加热条件测试重复样品。
为了捕获整个层压板的残余力学响应，研究人员采用数字图像相关（DIC）技术记录拉伸试验过程中样本的图像。
在数值模拟中，该研究利用亨德森的三维热响应模型来研究热解过程中的聚合物复合材料。该模型识别内部热解引起的热传导、对流、吸收以及热解气体流动。模型中做出了一些假设，包括忽略气体聚集和热膨胀引起的孔隙内压力，假设热解气体仅沿厚度方向流向受热表面，并考虑固相和气相处于热平衡。
图 10.不同单侧加热次数后的模拟热解程度和强度 最后，提出了燃后残余拉伸强度预测模型。假设残余机械性能主要由内部材料在厌氧条件下的热解程度决定。考虑一侧火焰加热后样品中心部分中每个单元的拉伸强度保留率来预测总体残余拉伸强度。 研究结果表明，随着火焰加热时间的增加，Cf/PN复合材料层压板的残余拉伸强度逐渐降低。这主要是由于热解过程中树脂基体的降解和碳纤维与树脂基体之间界面性能的退化所致。此外，研究还发现层压板的破坏模式从纤维断裂逐渐转变为分层剥离，这表明热解对层压板的层间性能产生了显著影响。通过与实验结果进行对比，数值模拟方法被证明能够有效地预测层压板在火焰作用下的温度分布和热解程度，从而为该类材料的安全设计和应用提供了有力工具。 该研究通过实验和数值模拟相结合的方法，深入探讨了Cf/PN复合材料层压板在单侧火焰加热下的火行为及火后残余拉伸性能。研究结果表明，热解过程对层压板的拉伸性能和破坏模式产生了显著影响。该研究为该类材料的安全设计和应用提供了重要依据，并为后续研究指明了方向。 Jinchuan Yang, Chunming Ji, Dongqing Wang, Hanqi Zhang, Zhengong Zhou, Jiqiang Hu, Bing Wang,Fire behavior and post-fire residual tensile strength prediction of carbon fiber/phthalonitrile composite laminates,Composites Science and Technology,2024,110624, https:///10.1016/j.compscitech.2024.110624. |
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