短纤维增强密封复合材料界面的力学行为与损伤演化机理研究

The short-fiber-reinforced rubber matrix composite (SFRC) is a new sealing composite, which possesses fine compression and resilience performances, preferable sealing capability and good chemical resistance. The assembly of rubber matrix, reinforced fiber and interphase presents complex elastic-viscoelasticity characteristic. Research on mechanical behaviors and interfacial damage evolution in SFRC highly relates to the property optimization and safe reliability improvement of gasket-type seal system. By investigating the formation mechanism and characterization method of the interface between short fiber and rubber matrix, the viscoelasticitic mechanical model of SFRC consisting of three components and two interfaces will be established, and stress transmission and distribution regularities in the material under static and dynamic loads will be obtained. With the matching characteristic between short fiber and rubber matrix being discussed, the damage mode will be determined and the damage criterion proposed, and then the damage evolution mechanism of the interface will be revealed. The numerical analysis method for mesomechanics properties of SFRC model will be established to investigate the damage evolution process of multiple damage points and their interference effect. A dedicated homogenization method for SFRC with large deformation will be established to obtain effective mechanics property parameters of the material. Finally the effect of damage evolution process of the interface on the macro mechanical properties of SFRC will be approached. The results of this project will provide the theoretical basis for the design and sealing performance prediction of SFRC.

短纤维增强橡胶基复合材料（SFRC）是一种新型的密封材料，具有优良的压缩回弹、密封和耐介质性能。橡胶基体、增强纤维和界面相之间呈复杂的弹性-粘弹性特性。SFRC界面力学行为以及界面损伤演化过程的研究对于优化材料性能、提高密封系统安全可靠性至关重要。本项目以芳纶纤维、碳纤维、钛酸钾晶须等短纤维和橡胶基体之间界面相的形成机理及其表征方法的研究为基础，建立粘弹性三相两界面的力学模型并研究其在静载荷与动载荷作用下的应力传递和分布规律。探讨增强纤维与橡胶基体的匹配关系，确定界面的损伤模式，建立界面破坏准则，揭示非稳态工况下界面的损伤演化机理。建立细观力学数值分析方法，研究SFRC细观模型中多点界面损伤的演化与干涉机理。建立适用于大变形SFRC的均匀化方法，确定材料的宏观有效力学性能参数，研究界面损伤特性对SFRC宏观力学性能的影响规律。研究成果可为SFRC设计及密封性能预测奠定理论基础。

短纤维增强橡胶基复合材料（SFRC）是一种新型的密封材料，具有优良的压缩回弹、密封和耐介质性能。SFRC界面力学行为以及界面损伤演化过程的研究对于优化材料性能、提高密封系统安全可靠性至关重要。本项目研究了芳纶纤维、碳纤维、海泡石纤维等短纤维和橡胶基体之间界面相的形成机理及其表征方法，建立了改进的粘弹性三相两界面的力学模型并研究其在静载荷与动载荷作用下的应力传递和分布规律。确定了界面区域的损伤模式，建立了界面区域的静载和动载破坏准则，建立了预测损伤的细观力学有限元分析方法，揭示了静载和动载条件下界面区域的损伤演化机理。研究了SFRC细观模型中多点界面与界面相损伤的演化与干涉机理。建立了适用于大变形SFRC的直接均匀化方法，研究了界面相区域损伤对SFRC宏观力学性能的影响规律。结果表明，界面相的模量值介于基体和增强纤维之间。界面应力分布并不均匀，界面最大剪应力位于纤维端部，最大轴向应力位于纤维中部。界面相厚度越大，界面应力分布越不均匀。界面相处裂纹萌发于应力集中处。疲劳载荷作用下，SFRC的界面相损伤累积分为两个阶段，第一阶段损伤累积速度较慢，称为“平台期”，在“平台期”末尾损伤累积速度迅速增加，进入第二阶段“破坏期”。多点干涉情况下，界面已经脱粘的纤维周围会产生应力重分布，进而引起临近纤维的界面相损伤。界面损伤对SFRC的蠕变松弛、剩余强度和剩余模量的影响较大，对压缩回弹性能影响较小。使用5%的纳米二氧化硅水性分散液可以显著提高间苯二酚甲醛-丁苯吡胶乳（RFL）对纤维和橡胶基体的粘合效果，抑制界面相区域的损伤。在RFL或者基体中加入碳纳米管，利用其对高分子链的缠绕特性，可以提高界面相和基体的致密性，进而抑制短纤维密封复合材料动载下的灾变趋势。研究成果有利于深入理解SFRC细观结构与性能的关系，并且为SFRC设计及密封性能预测奠定理论基础。