碳纤维增强复合材料高温力学性能及疲劳与动态损伤特性实验研究

As specific material properties, Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) laminates being used in weight sensitive structures where high flexural rigidity is required, such as transportation, military and renewable energy applications, due to its significantly low weight to strength ratio and excellent energy dissipation. However, the existing research work on CFRP laminates has not enough for better describing its mechanical performance related to loading condition and their service environment. In the proposed project, the techniques, such as high-speed and thermal imaging, laser interferometry and digital image processing will be employed to investigate the mechanical behavior, deformation responses, energy dissipation, stiffness reduction, and fatigue behavior/damage development of CFRP laminates under elevated temperature and subject to cyclically bending loading. By using of analytical solution and numerical simulation, it will characterize the thermal cycling effects and fatigue mode/structural damage with its mechanical response under different temperature. The goal of the proposed research is to provide information for structural optimization and safe performance. It will suit various requirements on CFRP laminates with reliable application and long service life design for lighter spacecraft, high speed marine craft, railway wagons and the wind turbine.

碳纤维增强复合材料具有轻质、比强度、比刚度高以及具有良好的减震吸能特性，作为新型结构材料其在交通、国防及新能源等领域的应用日益广泛。然而，目前实验和理论方面对其不同温度及变化载荷环境下力学性能研究与评价还不完善。本项目拟采用高速摄像与激光干涉测试方法、热成像及图像处理技术等无损测试手段研究分析不同温度对碳纤维增强复合层板结构力学性能的影响，以及弯曲疲劳荷载下全场变形行为及能量耗散特征，疲劳损伤演化与强度退化规律。结合理论分析研究建立热循环、疲劳损伤与寿命评估表征方法，揭示疲劳损伤扩展与结构失效机理。为碳纤维增强复合材料结构的多学科优化设计及安全使用等提供科学的实验依据，满足航空飞行器，高速轨道车辆、舰船，以及风力电机开发与使用等对复合材料整体结构的工作可靠性与长寿命的需求.

多层复合板特别是碳纤维增强复合层板作为结构材料被广泛地应用于航空航天、工民建和海洋等工程领域，当前实验和理论方面对于碳纤维增强复合结构在不同温度、静水及疲劳荷载作用下的变形行为及力学性能的了解还不够充分。本项目以激光干涉测试方法、热成像等技术对正交异相碳纤维增强复合层板不同温度、流体静态作用以及碳纤维层合板振动疲劳等情况下力学性能进行实验研究。.主要研究内容包括：正交编织碳纤维增强复合层板 (1) 常温下不同偏角层板结构的拉伸、弯曲刚度，振动特性；(2) 高温下不同偏角层板结构的弯曲变形行为、振动特性；(3) 水浸悬臂碳纤维增强复合层板的振动特性；(4) 碳纤维增强层合板常温下悬臂结构的振动损伤、疲劳寿命等实验研究。.本项目主要研究成果：(1) 对于正交编织碳纤维增强复合层板纤维主方向与结构主方向一致时，结构力学性能表现为拉伸模量、弯曲模量和结构振动模态频率最大或最高。纤维主方向与结构主方向成45度时，结构材料的拉伸模量、弯曲模量和结构振动模态频率最小或最低；弯曲模量随温度升高非线性降低，纤维主方向与结构主方向一致的试样在基底玻璃转化温度时的弯曲模量约是常温下的56%。(2) 碳纤维增强复合悬臂梁在静水中的模态振动频率随浸没程度增加而非线性降低，完全浸入时悬臂梁前7阶振动模态中，纯弯振水中模态频率是空气中的40-47%之内，而扭振(包括弯扭组合振动)则为56-58%之间。(3) 结构完整的悬臂碳纤维增强复合层板结构即便经历1千万次以上的振动循环周期后结构刚度基本不变，无明显宏观损伤，而对于预制缺陷试样经历数十万次到数百万次振动循环周期后结构破坏失效。.本项目研究成果为碳纤维增强复合材料结构优化设计提供科学指导，为碳纤维增强复合材料在航空飞行器，车辆舰艇以及风力电机的安全与可靠工作及损伤寿命评估提供实验依据。