耐高温树脂基机织复合材料在温度环境下疲劳损伤机理及寿命预测模型研究

High-temperature resistance resin matrix woven composites are valuably developing direction for the materials of elevated components, i.e. compressor blade and casing, in the advanced aero-engines. Yet, due to the relatively backward development of high-temperature resistance resins, complicated woven architectures and thermo-mechanical coupling effect, the studies on the temperature-dependent fatigue damage mechanisms and life prediction models are fairly insufficient. In this work, from the perspective of basic and applied scientific problems, the room and elevated fatigue behaviors of T300/HT350-RTM 2.5D woven composites (2.5D-WC) with excellent interlaminar property and relatively simple architecture are systematically investigated. By using in situ fatigue tests, fracture analysis and simulation, the fatigue characteristics and damage mechanisms are elaborated. Based on the static and fatigue tests of component materials, the mechanical property models, life prediction model and residual stiffness/ strength model of component materials are established, all of which take temperature into account. In accordance with the mechanical properties of component materials and progressive damage theory, the life prediction model of 2.5D-WC considering the effect of temperature is built. Two key scientific problems of the elevated fatigue damage mechanism and life prediction model for the resin matrix woven composites will be innovatively achieved in this work. The findings provide a theoretical guideline for the further application of high-temperature resistance resin matrix woven composites in the elevated components of aero-engine.

耐高温树脂基机织复合材料是航空发动机热端部件(如压气机叶片、机匣)材料体系的重要发展方向。但由于耐高温树脂研发较晚、机织结构复杂及热力耦合效应，导致目前该材料在温度环境下的疲劳损伤机理和寿命预测模型研究远远不足。本项目从此应用基础科学问题出发，基于碳纤维和耐高温聚酰亚胺材料体系，以一类具有良好层间性能且结构相对简单的2.5维机织复合材料(2.5D-WC)为研究对象，系统地研究其在温度环境下的疲劳行为。通过“原位”疲劳试验、断口分析及数值仿真揭示其疲劳特性及损伤机理；通过在温度环境下对组分材料进行静载及疲劳试验，建立考虑温度影响的组分力学模型、寿命模型及剩余刚度/强度模型；基于组分性能，采用累积损伤方法建立考虑温度效应的2.5D-WC寿命预测模型。本项目将在树脂基机织复合材料高温疲劳损伤机理和寿命预测模型两个关键科学问题上有所创新，为推动该材料在发动机热端部件应用提供理论基础。

高性能碳纤维增强树脂基纺织复合材料在热氧环境下的疲劳问题受到了国内外学者和专业技术人员的广泛关注。本课题聚焦碳纤维增强耐高温树脂基2.5维机织复合材料（2.5D-WC）的高温疲劳问题，提出并建立了该类树脂基复合材料的温度相关疲劳寿命预测模型。本项目考虑了两类耐高温树脂材料，即双马来酰亚胺（QY8911-IV，Tg~256℃）和聚酰亚胺（PI-380，Tg~380℃）树脂，分别开展了室温和高温下T300/ QY8911-IV和T300/ PI-380 2.5D-WC的经、纬向静态试验、热膨胀系数试验、疲劳试验及剩余强度试验，结果表明高温疲劳属于低周疲劳但高温疲劳寿命存在突增现象，另外，高温剩余刚度基本呈现线性下降趋势且经历10^6循环试件的高温剩余强度高于此温度下静强度；采用扫描断层技术（XCT）及断口分析技术（SEM）对断口形貌进行了宏、细观分析，结果发现疲劳断口无明显颈缩现象且损伤集中在断口位置，暗示出树脂具有较好的耐高温疲劳特性及三维整体机织结构，并结合试验数据揭示了其在温度环境下的疲劳损伤机理，即：高温疲劳受到疲劳载荷、温度与纤维束倾斜角共同作用，其中纤维倾斜角在一定程度上增加了抗疲劳承载能力、温度一方面缓解应力集中，但同时弱化了基体和界面的力学性能，当疲劳引起的损伤弱于增强作用时（低应力水平），复材不会发生疲劳失效，反之发生低周疲劳失效；此外，考虑到机织复合材料不具有“层”的概念，本项目基于组分理论建立了碳纤维增强耐高温树脂基机织复合材料的疲劳寿命预测模型。首先建立了考虑温度影响的组分材料静态力学性能模型、热膨胀系数模型、剩余刚度/ 剩余强度模型及疲劳寿命模型，并基于组分理论及损伤力学，建立了该类复材的温度相关疲劳寿命预测模型，成功预测了该类复材经、纬向疲劳寿命（误差在3倍误差带内）、损伤扩展率及疲劳损伤演化情况，基于此又定量揭示了该类复材的高温疲劳损伤机理。