纤维排布与形貌驱动的增强复合材料中的水分扩散力学

纤维增强聚合物复合材料（FRPC）因其高比强度及其他有利特性（包括增强的耐久性和耐腐蚀性）而广泛用于轻量化应用。然而，这些材料不可避免地暴露于水分中，已知水分吸收会大幅降低其力学性能，并常伴随增塑、增重、湿热处理膨胀以及纤维与基体间脱粘。因此，理解水分向 FRPC 中的扩散力学至关重要。纤维的存在，尤其是不透水纤维（如碳纤维），在聚合物基体中引入了曲折的水分扩散路径。本文中，我们阐明了纤维排布与形貌对 FRPC 材料中水分扩散的影响。在有限元框架内建立计算模型以评估不透水 FRPC 中的水分动力学。我们引入曲折因子用于度量因不透水纤维增强导致的水分扩散路径偏差程度。分析了具有不同纤维体积分数、空间分布和形貌的二维微观力学模型，以阐明内部微观力学纤维构型对曲折扩散路径及相应扩散率的影响。最后，建立了曲折因子与扩散率之间的关系，使得给定微构型下可利用曲折因子计算扩散率。对于给定构型，曲折因子可通过求解稳态扩散控制方程轻松计算，而水分扩散率需通过求解含时瞬态扩散方程获得。因此，在未来的复合材料设计、多尺度分析和优化中，可使用曲折因子而非扩散率来实现潮湿环境中的稳健结构。