多尺度FFRPs的界面应力传递机制及热黏弹性能预测研究

Fuzzy fiber reinforced polymers (FFRPs) is a new class of advanced composite materials, owning many distinct advantages and showing great application potential in aerospace and other high-end industries. In this project, to develop the elastic constitutive model of FFRPs accurately, and take the size effect, shape effect, stiffness ratio effect, as well as morphology of fillers into account, strain gradient elastic theory and interaction direct derivative estimation will be combined in a complementary way. Secondly, to consider the effect of the gradient interphase and the local fibers, a generalized self-consistent pull-out model for FFRPs will be proposed. Then, on the basis of continuum mechanics and the obtained elastic property prediction of FFRPs, their 3D thermoelastic behaviors will be analyzed, and the interfacial stress transfer mechanism of FFRPs between the fiber phase and the bulk matrix will be uncovered. Finally, according to the viscoelastic experimental characterization and elastic-viscoelastic corresponding principle, a multi-scale viscoelasticity prediction model for FFRPs will be established, with the consideration of the viscoelastic matrix phase, shear energy dissipation and friction energy dissipation of the interphases (interfaces), and then the temperature/frequency correlation will be discussed, thus the main influencing factors and relative strengthening mechanism will be clarified. This project is expected to provide theoretical basis for performance evaluation, structural optimization and reliable application of FFRPs.

绒毛纤维增强聚合物基复合材料（FFRPs）是一类新型的先进复合材料，拥有独特的复合界面结构，具有诸多独特性能优势，在航空航天等高端领域显示出巨大的应用潜力。本项目拟以FFRPs为研究对象，在复合材料均匀化理论的框架下，将应变梯度理论与相互作用直推法相结合，建立反映FFRPs尺度效应、夹杂形状效应、组份材料刚度比特征，以及复合界面梯度特征的有效弹性本构模型；继而，以此为基础，拟建立广义自洽拉拔模型，根据连续介质力学基本原理，研究复合梯度界面和局部纤维对FFRPs载荷传递行为的影响，揭示其界面应力传递机制；最后，拟基于黏弹性表征实验和弹性-黏弹性对应原理，综合考虑基体自身黏弹性和界面剪切、摩擦耗能影响，建立FFRPs黏弹性的多尺度预测模型，研究其温度/频率相关性，最终阐明其刚度和阻尼性能影响因素和多尺度强化机理。本项目将为FFRPs的性能评估、结构优化和可靠应用提供理论依据和应用指导。

绒毛纤维增强聚合物基复合材料（FFRP）是一类新型的先进复合材料。它独特的微纳纤维增强体能实现纤维/基体间的多尺度粘结，对复合材料整体力学性能的提升具有很大贡献。目前，针对FFRP的研究以实验制备与性能表征为主，缺乏相应的性能预测模型。在此背景下，本项目以复合材料力学、弹性力学和粘弹性力学等理论为基础，采用多尺度力学分析法，研究了FFRP中的多尺度界面效应及纳米填料的形状、含量、尺度和分布方向等影响，分别构建了FFRP的有效刚度、强度和阻尼性能的预测模型。模型的有效性和准确性通过与实验和/或已有模型结果对比得以验证。研究表明，多尺度增强体可在几乎不增加复合材料密度的前提下，显著增强复合材料的横向与剪切性能。该影响与纳米填料长径比密切相关：当纳米填料在主纤维表面任意分布时，具纤维形纳米填料FFRP的有效模量最大，而具球形纳米填料FFRP的最小。另外，纳米纤维界面改性能显著提高复合材料的界面剪切性能，从而改善复合材料主纤维/基体间的应力传递效率，但同时也会增加主纤维内部应力集中因子进而提高复合材料的断裂失效概率。因此，纳米填料的加入对复合材料拉伸强度的影响不是单调的，而是存在一个最优值。此外，FFRP的阻尼特性除了与其主要组份材料的粘弹性相关外还与纳米填料/基体间的摩擦损耗密切相关。以CNT-FFRP为例，CNT体积分数一定时，CNT长径比的增大使得界面滑移面积增加，进而改善CNT-FFRP总能量的耗散，然而过大的长径比会导致CNT-FFRP中CNT的数量减少，对复合材料的能量耗散产生负面影响。以上研究主要解析了FFRP“结构-性能”的规律，这为FFRP的优化设计，即解决传统复合材料界面性能弱导致的强韧性不足的问题，提供了有效途径和理论指导。