碳纤维增强树脂基复合材料在超低温环境下残余应力的形成机理及评价研究

Carbon fiber reinforced polymer-matrix composite materials(CFRP) is an ideal choice for manufacturig the liquid fuel tank of reusable launch vehicles, as its high specific strength and specific modulus. The cryogenic residual stress in CFRP is very complex, which could influence its usage. So, it must be studied carefully in order to develop composite materials liquid fuel tank. We will study the residual stress characteristics of CFRP at cryogenic temperature in this project. The experiment and numerical simulation methods will be used in this study. The testing technique will be developed to measure the residual stresses at cryogenic temperature under experimental solid mechanics. Based on molecular dynamics and finite element analysis, the “thermal-chemical-visco-elastic” analytical model will be built for simulating the cryogenic residul stress of CFRP by finite element software. On the micro-level, macro-level and global level, the residual stresses in composite materials created during manufacture and use processes are researched and the generation and release mechanism of cryogenic residul stress are revealed. This project will improve the research on the cryogenic residual stress of CFRP and promote the application of CFRP at cryogenic temperature.

轻质高强碳纤维增强树脂基复合材料，已成为制造可重复使用飞行器上超低温液体燃料贮箱的理想材料，而在超低温环境下复合材料内部会产生复杂的残余应力，从而影响其使用性能，因此，明确复合材料在超低温环境下的残余应力行为特性是研发复合材料液体燃料贮箱的一个关键问题。本项目拟针对T700碳纤维增强环氧树脂复合材料，采用试验和模拟相结合的方法，研究其在超低温环境下的残余应力特性。以固体实验力学为基础，发展适用于超低温环境下表征复合材料残余应力特性的试验技术方法；结合分子动力学和有限元分析理论，建立用于研究复合材料超低温残余应力的“热-化-粘-弹”分析模型；综合试验和模拟结果，在微观、宏观、全局三个层面分析复合材料中残余应力的特性，揭示复合材料在超低温环境下残余应力的产生和释放机理。本项目的研究将有助于对复合材料超低温残余应力开展深入的探索，并有利于推动复合材料在超低温环境下的应用。

本项目以应用于可重复使用液氧贮箱的碳纤维增强树脂基复合材料为研究对象，针对该复合材料在超低温极端环境下使用时的残余应力行为特性进行研究，完成了如下工作：制备高性能超低温碳纤维复合材料；监测固化过程中复合材料残余应力的特性，并分析影响因素；对复合材料试样进行超低温/室温循环处理；在复合材料试样表面制备高频正交光栅；搭建“高频正交光栅-电子束云纹法”试验平台；研究超低温环境下残余应力产生、分布及释放特性；建立复合材料界面的分子动力学模型并提取微观力场，分析化学收缩对复合材料界面强度的影响；对复合材料经典的层板理论进行修正；建立研究复合材料超低温残余应力的“热-化-粘-弹”分析模型，模拟分析碳纤维增强树脂基复合材料多尺度范围内的超低温残余应力特性；分析试验和模拟结果，揭示复合材料在超低温环境下残余应力的产生和释放机理。.通过本项目对该复合材料在超低温使用环境下的残余应力产生、分布、释放等特性的表征和预测的研究工作，发展了适于研究超低温环境下复合材料残余应力特性的试验方法；建立了用于预测复合材料超低温残余应力的“热-化-粘-弹”分析模型；揭示了复合材料在超低温环境下残余应力的产生和释放机理。所涉及的研究结果和研究方法可应用到多个领域的耐极端环境复合材料残余应力的研究工作中。