《碳纖維/環氧複合材料的低溫力學行為和損傷機理研究》是依託大連理工大學,由楊雷擔任醒目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：碳纖維/環氧複合材料的低溫力學行為和損傷機理研究
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：楊雷
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
纖維增強樹脂基複合材料是未來高性能運載火箭和可重複使用運載器低溫燃料貯箱的理想材料，其前提是解決複合材料在低溫下套用的基本力學問題。國內外在複合材料的低溫力學性能方面開展了系列研究，取得了初步的研究成果。但這些工作多以實驗研究為主，在理論分析和數值模擬方面仍缺少必要的經驗。相對於實驗方法，採用數值模擬不僅能極大地降低研究成本，也有助於從根本上理解複合材料在低溫下的損傷機理。本項目擬採用實驗研究與數值模擬相結合的方法，對碳纖維/環氧複合材料在液氮溫度下的力學行為進行研究。通過實驗方法測試碳纖維、環氧樹脂及其複合材料在低溫下的熱、力學性能，建立纖維增強樹脂基複合材料在低溫下的微觀力學損傷模型，對複合材料在低溫下的力學回響和損傷過程進行模擬，從而揭示複合材料在低溫下的損傷機理。本項目不僅具有重要的理論意義，更將為複合材料低溫貯箱的設計和研發提供依據。
結題摘要
纖維增強樹脂基複合材料是未來高性能運載火箭和可重複使用運載器低溫燃料貯箱的理想材料，其前提是解決複合材料在低溫下套用的基本力學問題。國內外在複合材料的低溫力學性能方面開展了系列研究，取得了初步的研究成果。但這些工作多以實驗研究為主，在理論分析和數值模擬方面仍缺少必要的經驗。相對於實驗方法，採用數值模擬不僅能極大地降低研究成本，也有助於從根本上理解複合材料在低溫下的損傷機理。本項目採用實驗研究與數值模擬相結合的方法，對碳纖維/環氧複合材料在低溫下的力學行為進行研究。首先通過實驗方法測得環氧樹脂及其複合材料在低溫下的熱、力學性能，實驗結果表明，環氧樹脂的彈性模量和拉壓強度均隨著溫度的降低而增大，熱膨脹係數隨溫度的降低而線性減小。然後建立了考慮纖維隨機分布並包含界面的複合材料微觀力學數值模型，模擬碳纖維/環氧複合材料在固化過程中和低溫下的熱殘餘應力。發現纖維分布形式會對複合材料的熱殘餘應力產生重要影響，揭示了固化過程和低溫下熱殘餘應力的形成機理。採用數值方法研究了碳纖維/環氧複合材料在低溫下的力學回響，研究了熱殘餘應力對複合材料力學性能和損傷機理的影響，發現熱殘餘應力的存在顯著影響了複合材料的損傷起始位置和擴展路徑，並使得複合材料在橫向載荷下提前發生損傷，從而削弱了複合材料的橫向拉伸和壓縮強度。最後討論了包括三角形和齒輪形在內的纖維截面形狀對複合材料力學性能的影響。結果表明齒輪形纖維增強複合材料的橫向剛度和橫向強度均遠大於圓形纖維增強複合材料，且齒輪形纖維的齒數越少，其增強效果越明顯。綜合考慮纖維體積含量和增強效果之間的平衡，確定齒數為12的齒輪形為最佳的纖維截面形狀。本項目不僅具有重要的理論意義，更將為複合材料低溫貯箱的設計和研發提供依據。
