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POLYMERS 濕熱環境下碳纖維複合材料杆的老化行為與壽命預測

作者：時間：2023-12-13點擊數：

近日，我校英国正版365官方网站低碳數智建造技術創新團隊在POLYMERS上發表了題為The Aging Behavior And Life Prediction of CFRPRod Under Hygrothermal Environment的研究論文。該文研究了CFRP杆的吸水擴散行為、短梁抗剪強度和動态熱力學性能的演化規律。揭示了CFRP杆（圖1）在土木工程惡劣的使用環境下的耐久性能，得到了CFRP杆力學性能的退化規律，嘗試建立了CFRP杆的壽命預測模型。研究結果表明CFRP杆的長期耐久性在混凝土結構、橋梁斜拉索結構和混凝土預應力拉索等服役環境下具有應用價值。

土木工程結構CFRP複合材料在濕熱環境下的熱與力學性能退化主要原因是水分子的侵入，水分子侵入會弱化高分子鍊間的範德華力，導緻高分子鍊發生塑化與水解作用。複合材料浸泡在水中，水分子會沿着杆體徑向擴散進材料内部，該過程類似于熱傳導過程（有相應的擴散方程），通過該擴散方程可以求解歸一化水濃度沿着杆體徑向的分布（圖2-7）。短梁剪切強度（SBSS）可以表征纖維-樹脂界面性能，纖維複合材料的整理力學性能直接取決于界面性能，研究SBSS随老化時間退化規律（圖8-15）；基于時間-溫度等效理論，利用Arrhenius方程對SBSS在實際使用環境中的長期壽命進行預測(圖16-18)。

綜上，本研究發現：CFRP杆的吸水行為滿足Fick定律，高溫加速了水分子沿CFRP杆徑向的擴散速率，進而獲得更高的擴散系數D；水分子進入CFRP杆後，與極性樹脂基體相互作用，導緻樹脂基體塑化，纖維與樹脂基體界面脫粘，導緻CFRP棒熱性能和力學性能明顯下降；掃描電鏡觀察到高溫水浸泡後CFRP杆表面樹脂脫落，纖維與樹脂基體界面發生嚴重脫粘；基于時間-溫度等效理論，利用Arrhenius方程對SBSS在實際使用環境中的長期壽命進行預測，得到SBSS的穩定強度保持率為72.78%，為土木工程結構的設計提供指導意義。

本文的第一作者為英国正版365官方网站工管教研室專任教師劉曉東博士，劉曉東博士是我院低碳數智建造技術與裝配式建築技術研究創新團隊負責人、教授，該工作受到學院領導和同事的鼎力支持。