氧化铝纤维增强铝基复合材料预拉伸应力依赖疲劳寿命形成机理

以发展高疲劳抗力纤维增强金属基复合材料为目标，以研究氧化铝纤维增强铝基复合材料预拉伸应力依赖疲劳寿命的形成机理为切入点，运用材料学方法和有限元技术，研究预拉伸应力对复合材料疲劳寿命的影响机制，基体种类对预应力依赖疲劳寿命形成的作用机制，重点在于揭示预拉伸应力与基体种类对载荷分配机制、裂纹萌生、近界面扩展以及纤维屏蔽和桥接裂纹间的影响规律和机制，找出决定预拉伸应力依赖疲劳寿命形成的关键结构和性能参数，认清预拉伸应力依赖疲劳寿命的形成机理,建立远距离电力传输预拉伸应力的施加准则。通过研究，有望带来对预应力影响连续纤维增强金属基复合材料疲劳损伤进程的新发现，产生关于预应力诱发疲劳损伤模式转换的新认识，建立通过外加应力调控纤维复合材料疲劳抗力的理论模型，丰富和发展纤维增强金属基复合材料的抗疲劳理论，为实现氧化铝纤维增强铝基复合材料在电力传输和航天航空领域的应用提供理论依据。

目前，远距离输电线是由铝导线和增强芯两部分构成，其中增强芯为钢铁材料。钢铁增强芯，比重大、强度不高。如能用轻质高强的连续纤维增强铝基复合材料替代钢增强芯，则可实现即降低输电线重量又提高强度的目的，进而大大提高远距离电力传输的安全性。本项目以轻质高强的连续氧化铝纤维增强铝基复合材料增强芯为研究对象，研究其疲劳性能，以期为远距离电力传输应用提供基础数据和理论支撑。.在远距离电力传输中，为了减小导线的悬垂，架线时必须对导线和增强芯施加轴向拉伸应力。在随后服役期间，受风雨等自然力的影响，导线和增强芯材料经常遭受疲劳载荷的作用。为了保证氧化铝纤维增强铝基复合材料作为增强芯的应用安全，有必要弄清该预拉伸应力水平对氧化铝纤维增强铝基复合材料疲劳寿命的影响规律。.本项目以研究氧化铝纤维增强铝基复合材料预拉伸应力依赖疲劳寿命的形成机理为切入点，运用材料学方法和有限元技术，研究了预拉伸应力对复合材料疲劳寿命的影响机制，基体种类对预应力依赖疲劳寿命形成的作用机制，揭示了预拉伸应力与基体种类对载荷分配机制、裂纹萌生、近界面扩展以及纤维屏蔽和桥接裂纹间的影响规律和机制，揭示了预拉伸应力依赖疲劳寿命的形成机理,建立远距离电力传输预拉伸应力的施加准则。通过研究，建立了预拉伸应力与复合材料内部残余应力间内在关系的理论模型，揭示了残余应力依赖预应力的形成机制，进而揭示了预应力依赖疲劳寿命的形成机理。提出了一种测定纤维复合材料残余应力的新方法—单调加载法，并建立了相关的理论模型。该方法在保证测定精度的同时，较以往的拉压循环法操作更简单。通过第一性原理，计算了复合材料界面的结合性能，并与有限元相结合，从原子尺度到微观尺度研究了预拉伸应力以及界面结合强度对复合材料中载荷分配机制的影响规律，发现预拉伸应力的大小影响纤维的断裂数量和界面结合强度，进而影响了复合材料中的载荷分配制度和复合材料的疲劳性能。通过纤维的局域化设计，建立了局域化复合材料的有限元模型，对结构关键参数进行了参数分析数值实验，揭示了关键结构参数对复合材料性能的影响规律和作用机制，建立了复合材料优化设计的设计准则，并制备出了高性能的氧化铝纤维增强铝基复合材料。