2.5D编织C/C复合材料的多尺度力学研究

2.5D编织碳/碳复合材料具有优异的高温力学性能，同时继承了编织复合材料良好的结构整体性，具有很强的可设计性，在航空航天、核工业、汽车和生物工程等领域有着广阔的应用前景。根据碳/碳复合材料中界面多层次的特点，本课题拟采用多尺度的研究方法，针对纤维/基体界面和纤维束/基体界面结构和尺度的特点，分别采用分子动力学模拟和直接实验测量的方法，获取两类界面的内聚力模型参数。再根据2.5D编织碳/碳复合材料的细观几何结构，考虑纤维束/基体界面的力学特性，采用有限元法预测复合材料的各项力学性能，并建立适用于该类复合材料的强度准则。通过对不同工艺参数的试件进行力学性能测试，对数值模拟结果的有效性进行验证。同时采用高分辨率的显微设备观察材料破坏过程中界面微观结构的演化规律，结合数值模拟结果揭示2.5D编织碳/碳复合材料的损伤演化规律和强韧化机制。

以2.5D编织复合材料为代表的编织和机织类复合材料是一类较新型的复合材料，对其力学行为进行研究具有重要的学术和应用价值。本项目在实验、理论和模拟研究方面开展的工作和主要成果为：制备了2.5D碳纤维/树脂基编织复合材料的宏观力学性能测试试件，对材料经纱方向和纬纱方向的拉伸、压缩和弯曲性能进行了全面的实验测试，确定了材料失效形式与材料细观结构之间的关系。利用分子动力学模拟（MD）方法，分别获得了C/C陶瓷基复合材料中纤维/基体间界面和C/pyC/SiC陶瓷基复合材料中热解碳和碳化硅基体间的界面的法向拉伸本构和切向剪切本构，并研究了微裂纹和原子空位率对界面力学性能的影响规律。针对复合材料中的界面脱粘问题，建立了界面的非线性弹塑性有限变形本构框架。基于该界面本构框架，建立了有限变形下界面的变形率相关的粘塑性内聚力模型，并用来解释界面脱粘力的松弛行为。利用多尺度的渐进损伤模拟方法, 对以2.5D、3D编织和平纹机织复合材料为代表的编织及机织类复合材料在不同外载条件下的力学响应及损伤演化行为进行了广泛研究，重点考察了细观编织结构、外载形式、基体孔隙缺陷和纤维束/基体界面性能等对编织复合材料承载能力和失效模式的影响。