《超低溫環境下T700/環氧複合材料拉-壓疲勞性能及損傷機理》是依託大連理工大學,由劉新擔任醒目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：超低溫環境下T700/環氧複合材料拉-壓疲勞性能及損傷機理
- 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：劉新
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
輕質高強碳纖維增強樹脂基複合材料已成為製造可重複使用飛行器上液氧燃料貯箱的理想材料選擇，明確這種複合材料在超低溫環境下的疲勞特性是當前亟待解決的關鍵問題之一。本項目擬針對T700碳纖維增強環氧樹脂複合材料，採用試驗和數值模擬相結合的方法，研究其在超低溫環境下的疲勞特性。通過超低溫（-196℃）/室溫（25℃）熱循環疲勞試驗，研究複合材料在熱疲勞過程中產生損傷的特性；在液氮溫度下，對複合材料進行拉-壓疲勞試驗，繪製由剛度退化控制的預測複合材料超低溫疲勞壽命的Sc-N疲勞曲線，並考慮溫度因素對複合材料疲勞特性的影響，建立以剩餘剛度為損傷參量的超低溫疲勞累積損傷模型；通過研究組分材料的低溫熱力學性能、疲勞載荷的應力比和應力水平、鋪層角度等因素對複合材料超低溫疲勞損傷特性的影響，揭示複合材料的超低溫疲勞損傷機理。本項目的研究將為碳纖維複合材料在超低溫環境下使用的可靠性提供評估方法和理論預測模型。
結題摘要
輕質高強碳纖維增強樹脂基複合材料已成為製造可重複使用飛行器上液氧燃料貯箱的理想材料選擇，明確這種複合材料在超低溫環境下的疲勞特性是當前亟待解決的關鍵問題之一。本項目針對T700碳纖維增強環氧樹脂複合材料，採用試驗和數值模擬相結合的方法，研究其在超低溫環境下的疲勞特性。套用電液伺服力學試驗機，研究了未經超低溫處理、超低溫浸泡120h處理、超低溫/室溫循環100次後，碳纖維/環氧複合材料試樣的靜拉伸強度，以及在應力比為-1，應力水平是壓縮強度50%時的拉-壓疲勞後的剩餘強度；採用數值模擬計算及試驗的方法對超低溫環境的獲得進行了設計，並最終制定了獲得超低溫試驗環境的方案；確定了微裂紋密度隨熱循環疲勞次數增加而變化的規律以及微裂紋飽和密度；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。 對T700碳纖維/環氧複合材料所製作的單向板與正交板進行了超低溫浸泡處理與常溫/超低溫熱循環處理，由於碳纖維和基體的熱膨脹係數不同，溫度改變時，兩者之間出現了變形不協調，產生了不平衡的內部應力，損傷界面，進而產生了微裂紋。拉-壓疲勞處理也會使試樣產生微裂紋，由溫度變化和拉-壓疲勞處理產生的微裂紋起到兩個作用，一個是釋放殘餘應力，一個是降低材料強度。開始產生的微裂紋較輕，不足以釋放殘餘應力，使強度降低，接下來殘餘應力的釋放起到主導作用，使材料強度提高，後來殘餘應力釋放完成，微裂紋影響強度的作用又占據主導地位，因此，材料強度開始降低。所以，隨著溫度疲勞和載荷疲勞的作用，材料的強度會經歷先降-再升-再降的過程。根據纖維隨機分布並包含界面的複合材料微觀力學數值模型分析，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。 本項目的研究揭示了複合材料的超低溫疲勞損傷機理。為碳纖維複合材料在超低溫環境下使用的可靠性提供評估方法和理論預測模型。
