高性能碳纤维增强复合材料层合板的伪延性研究

One of the key bottlenecks plagued in the field of traditional carbon fiber reinforced composite (CFRP) design is the strength versus toughness dilemma, that CFRP has high strength and modulus, but tends to failure suddenly without sufficient damage warning due to its inherent brittleness and low residual strength. Therefore, improving the strength as well as the toughness is one of the hot spots in high performance CFRP research. The present project aimed at the problem of the strength versus toughness dilemma for CFRP, will focus on the research on the pseudo ductility of high performance CFRP using thin-ply CFRP prepreg. The project includes: analyzing the effects of discontinuous fiber structure parameters on mechanics properties of laminates, proposing the new structure of discontinuous fiber; the design of new ply structure, experimental investigation on the nonlinear response of mechanical properties and crack propagation, and revealing the damage mechanism; constructing the three dimensional micro representative volume element model, simulating and analyzing macro and micro mechanical properties of composite laminates with various structure, and analyzing the micro damage mechanism. This project is for the further research on high-performance CFRP, will provide theoretical basis and technical support for the design and application of high-performance CFRP composites.

强度和韧性的互斥性是长期困扰传统碳纤维复合材料（CFRP）设计领域的重要瓶颈之一，即虽然CFRP具有高强度和高模量，但因其脆性本质及较弱的剩余强度，容易在没有明显损伤的情况下突然失效。因此，CFRP的增强增韧是高性能CFRP研究的热点之一。本项目将针对CFRP强度和韧性互斥的问题，以超薄碳纤维预浸料为材料基础，开展高性能伪延性CFRP研究，分析非连续纤维结构参数对层合板力学性能的影响规律，提出新型非连续纤维增强结构；设计新型层合板铺设结构，通过力学实验研究层合板力学性能的非线性响应与裂纹扩展情况，揭示其损伤过程；构建三维微观代表性体积单元模型，模拟并分析不同结构复合材料层合板的宏观和微观力学性能，阐明其微观损伤破坏机理。本项目是对高性能CFRP研究的进一步深化，为实现其设计及应用提供理论依据和技术支撑。

提出了新型的单向排列短切纤维(UACS)设计方案。设计了阶梯切口和双角切口两种短切纤维。制备了具有新型切口和存在连续角度切口的准各向同性UACS层合板，并与常规连续纤维层合板层合板进行了拉伸试验。实验结果表明，新设计的UACS层合板比现有的UACS层合板具有更高的强度。在碳纤维预浸料中预先引入垂直切口和双角切口，并采用层间混杂的方式将碳纤维与玻璃纤维单向预浸料按一定顺序堆叠在一起，以产生一定的混杂效应，能够产生伪延性。实验结果表明，具有垂直切口的碳/玻混杂层合板能够使材料在最终失效前表现出伪延性，获得明显的伪延性，且碳/玻混杂比对材料的非线性现象具有明显的影响。通过实验和数值分析，研究了偏轴铺层对不对称[0/θ]ns层合板拉伸性能的影响。通过原位观测研究拉伸试验期间层合板损伤的起始和渐进增长。通过观察层合板的自由边，分析了纤维断裂、裂纹萌生和渐进扩展，并研究了不同偏轴层角度引起的损伤差异。利用三维微观力学模型对[0/θ]s层合板进行了有限元分析（FEA），模拟了偏轴层中的基体开裂和纤维基体脱粘。分析了三种微观力学无裂纹、粘性界面和初始裂纹模型，以预测偏轴层内基体裂纹对[0/θ]s板损伤行为的影响。提出了一个三维（3-D）细观模型，用于有限元分析CFRP交叉角铺设层[θ/-θ/(90+θ)/(90- θ)]s层合板的非线性应力应变响应。交叉角铺设层合板的伪延性应变比角铺设层合板低约50%。纤维角度越大，交叉角铺设层合板的伪延性应变越高。提出了一种新的三维微观力学模型来模拟任意的多向碳纤维增强聚合物复合材料层合板（CFRP）。假设碳纤维为横观各向同性和线弹性，基体为各向同性和弹塑性，并采用最大应变准则来描述纤维和基体的破坏。描述了纤维和基体水平下的应力、应变和损伤。非线性力学响应的数值计算结果与前人的实验和分析结果吻合较好。本项目是对高性能CFRP研究的进一步深化，为实现其设计及应用提供一定的理论依据和技术支撑。项目资助发表发表SCI论文7篇，中文核心1篇已录用，申请发明专利8项。通过本项目培养了硕士生6名。项目投入经费26万元，支出25.9925万元，各项支出基本与预算相符。