国产高强中模碳纤维增强复合材料界面匹配、失效机理及性能评价

High strength medium modulus carbon fiber composite material has been widely used in foreign new aircraft, which can significantly improve the material and design allowable value of composite, and improve the weight reduction efficiency of structure. There has been a breakthrough in the key manufacturing technologies of domestic T800 carbon fiber, but the interface matching mechanism, accurate failure mechanism, the relevance of macro and micro mechanical properties and other basic scientific problems of the domestic T800 carbon fiber resin matrix composite have not been resolved. There still exist certain difficulties to realize its efficient application in aviation equipment. This project is mainly aimed at the key basic mechanical problems of domestic T800 carbon fiber composite, focused on the interface matching mechanism of domestic T800 carbon fiber composite, to explore the influence of different interfacial properties on the macro mechanical properties of composite materials. The failure mechanism of domestic T800 carbon fiber composite is explored based on the developed cross scale failure criterion, and the the physical failure mechanism of composite layers and interlayer is revealed. The evaluation on the mechanical properties of domestic T800 carbon fiber composite materials is conducted, focused on properties of compression and compression after impact, to explore the effect of damp-heat environment on the mechanical properties, in order to provide technical support for the efficient structure design and application of domestic T800 carbon fiber composite materials, and to provide a theoretical basis for the material design based on constituent performance.

高强中模碳纤维复合材料在国外新机型上已大量应用，显著提高了复合材料的材料及设计许用值，并提升了结构的减重效率。国产T800级碳纤维的关键制造技术已经突破，但国产T800级碳纤维树脂基复合材料的界面相匹配机理、准确的失效机制和宏细观力学性能的关联性等基本科学问题尚未解决，要实现其在航空装备上的高效应用仍存在一定困难。本项目主要针对国产T800级碳纤维复合材料的关键基本力学问题，重点揭示国产T800级碳纤维复合材料界面相匹配机理，探究不同界面性能对复合材料宏观力学性能的影响；基于发展的跨尺度失效准则探究国产T800级碳纤维复合材料失效机制，揭示复合材料层内和层间失效的物理机理；对国产T800级碳纤维复合材料进行力学性能评价，重点研究压缩及冲击后压缩性能，探究湿热环境对其力学性能的影响，为国产T800级碳纤维复合材料的高效结构设计及应用提供技术支撑，同时为实现基于组分性能的材料设计提供理论依据。

碳纤维树脂基复合材料已广泛应用于航空主承力结构中，采用高强中模碳纤维作为增强材料，将显著提高复合材料的材料及设计许用值，可进一步提升复合材料结构的减重效率，应用与之匹配良好的树脂基体，可大幅度提高复合材料的损伤容限。当前，国产T800级碳纤维的关键制造技术已经突破，但国产T800级碳纤维树脂基复合材料的纤维-树脂界面匹配机理、典型载荷状态下准确的失效机制和宏细观力学性能的关联性等基本科学问题尚未解决。.本项目针对国产T800级碳纤维复合材料界面相组分匹配机理，得到了单丝复合体系渐进损伤断裂过程中的纤维轴向应力分布及损伤失效模式；完成了单向复合材料的组分及宏观力学性能的关联性研究及破坏模式研究，通过试验测试分别得到了纵向拉伸、纵向压缩、横向拉伸、横向压缩强度，并与有限元数值模拟结果进行对照，分析不同组分性能对宏观力学性能的影响，研究得到，纵向拉伸强度主要取决于碳纤维本身的拉伸强度，纵向压缩强度主要取决于塑性基体的剪切屈服行为，横向拉伸性能的主要与界面的正强度有关，横向压缩性能主要与基体强度有关，界面的正强度影响不大。.本项目研究了国产T800级碳纤维复合材料层板损伤模式的形成、发展及转换规律，采用修正的MMF理论——MMF3理论进一步发展和完善了基于物理机制的失效准则；建立了基于物理机制的开孔拉伸、无缺口压缩以及冲击后压缩损伤分析模型，并详细分析了不同纤维、基体匹配对各种载荷作用下的失效强度和损伤模式的影响规律；揭示了T800级碳纤维复合材料层板的层间失效机制，对层间界面断裂韧性进行了表征。.根据材料及结构的实际应用环境，本项目确定了国产T800级碳纤维复合材料及结构可能面临的损伤类型和损伤威胁，对损伤的影响进行评估，确定了国产T800级碳纤维复合材料对损伤的抵抗能力和含损伤的剩余强度；依托于工程需求，在试样级、元件级和典型件级三个层面验证了国产T800级碳纤维复合材料在航空典型结构的应用效果，结合试验和数值分析研究了其耐久性和损伤容限性能。