环氧复合材料中E玻璃编织织物的纺织特性与机械性能在低温条件下的对比分析

《Polymer Composites》：Comparative Analysis of Textile Characteristics and Mechanical Properties of E-Glass Woven Fabrics in Epoxy Composites Under Cryogenic Conditions

　　低温环境下E-glass纤维环氧复合材料的纺织特性与力学性能研究，分析不同层数（4/8层）及冷处理方式（完全浸没/局部接触/重复冷冲击）对材料强度、应变及韧性影响，发现多层结构热应力分布不均导致机械失效，重复冷冲击显著降低材料性能。

　　

摘要

对于需要超低温和极端热循环的应用，复合材料的设计与优化至关重要，尤其是在液化气体储存罐中。在低温应用中使用的材料中，E-玻璃纤维增强环氧复合材料引起了极大的关注。尽管在研究玻璃纤维增强环氧复合材料在低温条件下的性能方面取得了显著进展，但仍需进一步研究纺织材料的特性以及这些特性如何影响环氧复合材料的失效机制。因此，本研究的主要目的是探讨在低温条件下，用编织E-玻璃织物增强的环氧复合材料的纺织特性和机械性能。分析了三种市售织物的质量密度，分别为200、400和600克/平方米。研究重点关注纺织材料的特性（织物面积密度、纤维直径、纱线线密度、经纬密度、单丝数量以及单丝的拉伸性能），并测量了复合材料样品在0°加载方向下的拉伸强度、最大应变和韧性，在这些样品经过5小时液氮低温处理前后进行了对比。确定性能最佳的织物后，通过将织物层相对于0°加载方向旋转45°来制备复合样品，并进行了进一步研究。采用不同的织物层配置（4层 vs 8层）作为复合结构的增强材料，样品经历了各种低温条件下的测试，包括：(1) 完全浸入低温储罐中5小时；(2) 两次完全浸入低温储罐中各5小时；(3) 局部低温处理5小时（其中一个面直接接触低温液体）。结果表明，不同类型的织物性能存在显著差异，高强度单丝表现出比其他材料更优越的强度和最大应变。此外，复合材料在低温暴露过程中经历的热冲击会导致其拉伸性能下降，尤其是在反复低温冲击的情况下。研究还发现，较厚样品（如8层结构）内部的热交换会导致热应力分布不平衡，从而引发意外的机械失效。仅有一个面直接接触低温液体的8层样品相比完全浸入液氮中的样品，其强度下降更为明显。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。