碳纤维/环氧复合材料的低温力学行为和损伤机理研究

Fiber reinforced resin matrix composite is an ideal candidate material for cryogenic fuel tanks of future high-performance carrier rockets and Reusable Launch Vehicles (RLV), on the premise that the fundamental mechanical behaviors of composite material at cryogenic temperature can be fully understood. Many researchers have carried out studies on the mechanical behavior of composite structures under cryogenic temperature at home and abroad, with some preliminary results achieved. But most of these efforts were based on experimental method, and there is a lack of experience in theoretical analysis and numerical simulation. Compared with experimental approach, numerical simulation not only can greatly reduce the research cost, but also can contribute to the profound understanding of the damage mechanism of composite at cryogenic temperature. In this project, a combination of experimental study and numerical simulation will be used to investigate the mechanical behavior of carbon fiber/epoxy composite at liquid nitrogen temperature. Firstly, the thermal and mechanical properties of carbon fiber and epoxy resin and their composite will be experimentally tested; then, a micromechanical damage model will be established for fiber reinforced resin matrix composites at cryogenic temperature to simulate the mechanical response and damage process of composite, thus to reveal the damage mechanism of composites at cryogenic temperature. This project is of significant theoretical value, and more importantly, it can provide the basis for the design and development of cryogenic composite tank.

纤维增强树脂基复合材料是未来高性能运载火箭和可重复使用运载器低温燃料贮箱的理想材料，其前提是解决复合材料在低温下应用的基本力学问题。国内外在复合材料的低温力学性能方面开展了系列研究，取得了初步的研究成果。但这些工作多以实验研究为主，在理论分析和数值模拟方面仍缺少必要的经验。相对于实验方法，采用数值模拟不仅能极大地降低研究成本，也有助于从根本上理解复合材料在低温下的损伤机理。本项目拟采用实验研究与数值模拟相结合的方法，对碳纤维/环氧复合材料在液氮温度下的力学行为进行研究。通过实验方法测试碳纤维、环氧树脂及其复合材料在低温下的热、力学性能，建立纤维增强树脂基复合材料在低温下的微观力学损伤模型，对复合材料在低温下的力学响应和损伤过程进行模拟，从而揭示复合材料在低温下的损伤机理。本项目不仅具有重要的理论意义，更将为复合材料低温贮箱的设计和研发提供依据。

纤维增强树脂基复合材料是未来高性能运载火箭和可重复使用运载器低温燃料贮箱的理想材料，其前提是解决复合材料在低温下应用的基本力学问题。国内外在复合材料的低温力学性能方面开展了系列研究，取得了初步的研究成果。但这些工作多以实验研究为主，在理论分析和数值模拟方面仍缺少必要的经验。相对于实验方法，采用数值模拟不仅能极大地降低研究成本，也有助于从根本上理解复合材料在低温下的损伤机理。本项目采用实验研究与数值模拟相结合的方法，对碳纤维/环氧复合材料在低温下的力学行为进行研究。首先通过实验方法测得环氧树脂及其复合材料在低温下的热、力学性能，实验结果表明，环氧树脂的弹性模量和拉压强度均随着温度的降低而增大，热膨胀系数随温度的降低而线性减小。然后建立了考虑纤维随机分布并包含界面的复合材料微观力学数值模型，模拟碳纤维/环氧复合材料在固化过程中和低温下的热残余应力。发现纤维分布形式会对复合材料的热残余应力产生重要影响，揭示了固化过程和低温下热残余应力的形成机理。采用数值方法研究了碳纤维/环氧复合材料在低温下的力学响应，研究了热残余应力对复合材料力学性能和损伤机理的影响，发现热残余应力的存在显著影响了复合材料的损伤起始位置和扩展路径，并使得复合材料在横向载荷下提前发生损伤，从而削弱了复合材料的横向拉伸和压缩强度。最后讨论了包括三角形和齿轮形在内的纤维截面形状对复合材料力学性能的影响。结果表明齿轮形纤维增强复合材料的横向刚度和横向强度均远大于圆形纤维增强复合材料，且齿轮形纤维的齿数越少，其增强效果越明显。综合考虑纤维体积含量和增强效果之间的平衡，确定齿数为12的齿轮形为最佳的纤维截面形状。本项目不仅具有重要的理论意义，更将为复合材料低温贮箱的设计和研发提供依据。