湿热环境对泡桐木复合材料夹芯结构Ⅰ型界面剥离性能的影响与机制研究.docxVIP

湿热环境对泡桐木复合材料夹芯结构Ⅰ型界面剥离性能的影响与机制研究

一、引言

1.1研究背景与意义

夹芯结构材料作为一种新型的复合材料，由面板材料和芯材组成，一般包括上下面板、芯材和胶黏剂三部分。这种结构将芯材的轻质、高刚度和良好的缓冲能力与面板的高强度相结合，展现出密度小、性能缓冲能力强、吸声性能好等优点，在航空航天、汽车制造、风电、轨道交通、工程减震、军工安防等众多领域都有着极为广阔的应用潜力。其中，泡桐木作为夹芯结构的芯材，具有独特的优势。泡桐木是我国最轻的木材之一，气干密度约为250-300kg/m3，质轻而韧，耐湿隔潮，经过干燥后不易吸湿和发生翘曲变形；导热系数小，燃点高达425℃，耐火性能较好；同时还耐腐、耐酸碱、耐磨损、耐疲劳，且人工种植3年成林，5年成材，我国作为泡桐木的原产地，拥有丰富的资源蕴藏。

纤维增强树脂泡桐木夹芯结构凭借其轻质高强、耐疲劳等突出优点，在土木工程领域呈现出广阔的应用前景。像是在一些建筑的屋顶、墙体结构中，使用泡桐木复合材料夹芯结构，不仅能够减轻结构自重，还能提高结构的耐久性和隔音隔热性能。在一些大跨度的桥梁建设中，这种夹芯结构也可用于制作桥梁的某些部件，提升桥梁的性能。然而，这些结构常常应用于湿热老化的户外环境中。在高温高湿的条件下，水分子会逐渐渗透到夹芯结构内部，与材料发生复杂的物理和化学作用。这可能导致泡桐木芯材发生膨胀、腐朽等现象，纤维增强树脂面板也可能出现性能退化，进而使夹芯结构产生界面剥离，严重影响结构的界面黏结性能和整体力学性能，威胁到结构的安全性和使用寿命。因此，深入研究湿热环境对泡桐木复合材料夹芯结构Ⅰ型界面剥离性能的影响具有至关重要的意义。通过这一研究，能够为泡桐木复合材料夹芯结构在实际工程中的应用提供更为可靠的理论依据和技术支持，有助于优化结构设计，提高结构在湿热环境下的稳定性和可靠性，减少因环境因素导致的结构破坏和安全事故，推动其在更多领域的广泛应用。

1.2国内外研究现状

在复合材料夹芯结构领域，国内外学者针对湿热环境对其性能的影响开展了大量研究。国外方面，一些研究聚焦于航空航天用复合材料夹芯结构在湿热环境下的力学性能演变，通过先进的实验技术和数值模拟方法，深入分析了湿热环境下夹芯结构的吸湿特性、界面性能变化以及由此引发的结构失效机制。例如，有研究利用高精度的热重分析仪和动态力学分析仪，研究了湿热环境下不同纤维增强树脂基复合材料夹芯结构的吸湿动力学和力学性能衰退规律，发现吸湿会导致复合材料的玻璃化转变温度降低，进而影响夹芯结构的长期稳定性。在数值模拟方面，采用多物理场耦合的有限元模型，能够较为准确地预测湿热环境下夹芯结构的力学响应和损伤演化过程。

国内在该领域也取得了丰富成果。针对不同类型的复合材料夹芯结构，如泡沫夹芯、蜂窝夹芯等，研究人员系统地探讨了湿热环境对其界面性能、整体强度和刚度的影响。通过大量的实验研究，建立了一系列考虑湿热因素的力学性能预测模型。以泡沫夹芯结构为例，研究发现湿热环境会使泡沫芯材的泡孔结构发生变化，导致其承载能力下降，进而影响夹芯结构的整体性能。

对于泡桐木复合材料夹芯结构，国内研究相对更为深入。南京工业大学的方海等人选用泡桐木制备出夹层结构用绿色夹芯材料，通过真空导入成型工艺成功制备出轻质高强的泡桐木夹层复合材料，并通过不同跨高比试件的三点与四点弯试验，研究了其典型受力破坏形态与机制。赵鹏飞、方园等人采用人工加速老化的方法模拟湿热环境，通过泡桐木玻璃纤维增强复合材料夹芯结构的双悬臂梁拉伸剥离试验，研究了湿热环境对玻璃纤维增强复合材料(GFRP)面板和泡桐木芯材的粘结性能的影响，结果表明，90d湿热加速老化后泡桐木复合材料夹芯结构的能量释放率下降了32.3%，芯材泡桐木顺纹抗拉强度下降了11.6%，GFRP面板拉伸模量下降了11.0%。高铭、赵鹏飞等人通过双悬臂梁（DCB）试验研究纤维增强树脂泡桐木夹芯结构在湿热环境下的Ⅰ型界面剥离，并基于弹性地基梁模型推导Ⅰ型临界能量释放率的计算公式，结果表明湿热环境对于夹芯结构的界面韧性有明显影响，180d时夹芯结构的能量释放率相比未老化时下降了41.86%，且基于弹性地基梁模型推导的公式具有一定的准确性，可用来估算湿热环境下纤维增强树脂泡桐木夹芯结构的Ⅰ型临界能量释放率。然而，目前的研究在考虑实际复杂环境因素的全面性、不同地区湿热条件差异对泡桐木复合材料夹芯结构性能影响的针对性等方面仍存在一定的局限性，需要进一步深入研究。

1.3研究内容与方法

本研究将开展以下几方面的工作：一是进行试验研究，采用人工加速老化的方法模拟湿热环境，通过双悬臂梁拉伸剥离试验，深入研究湿热环境对泡桐木复合材料夹芯结构Ⅰ型界面剥离性能的影响，包括能量释