超低温环境下T700/环氧复合材料拉-压疲劳性能及损伤机理

Carbon fiber reinforced polymer-matrix composite materials(CFRP) is an ideal choice for manufacturing the liquid oxygen tank of reusable launch vehicles,as its high specific strength and specific modulus, and excellent mechanical and thermal properties. The fatigue properties of CFRP, especially at cryogenic temperature, is imorpant to the reliablity of reusable launch vehicles significantly,must be studied carefully in order to make sure the safety of vehicles. We will study the fatigue properties in cryogenic temperature condition of high performance T700/EP composite materials in this project. At first,thermal cycling fatigue test of CFRP between cryogenic temperature(-196℃) and room temperature （25℃）will be performed to research its damage characteristic in this condition. Secondly, the tesion-compression fatigue test will be carried out at liquid nitrogen temperature，and the Sc-N curve based on stiffness degradation will be obtained, from which we could predict the safe fatigue life of CFRP at cryogenic temperature. Taking account of the influence of temperature, a fatigue damage cumulative model based on stiffness degradation will be proposed in this project,and then tested and modified according to experimental data .Finally, the influence of stacking sequence and layer angle of composites laminates, and the cryogenic thermal/mechanical properties, stress ratio and stress level of fatigue load of component materials will be investigated, and their cryogenic tensin-compression fatigue damage mechanism will be revealed. All the aim of this project is to provide a suitable reliablity evaluation method and prediction model for CFRP used at cryogenic temperatue.

轻质高强碳纤维增强树脂基复合材料已成为制造可重复使用飞行器上液氧燃料贮箱的理想材料选择，明确这种复合材料在超低温环境下的疲劳特性是当前亟待解决的关键问题之一。本项目拟针对T700碳纤维增强环氧树脂复合材料，采用试验和数值模拟相结合的方法，研究其在超低温环境下的疲劳特性。通过超低温（-196℃）/室温（25℃）热循环疲劳试验，研究复合材料在热疲劳过程中产生损伤的特性；在液氮温度下，对复合材料进行拉-压疲劳试验，绘制由刚度退化控制的预测复合材料超低温疲劳寿命的Sc-N疲劳曲线，并考虑温度因素对复合材料疲劳特性的影响，建立以剩余刚度为损伤参量的超低温疲劳累积损伤模型；通过研究组分材料的低温热力学性能、疲劳载荷的应力比和应力水平、铺层角度等因素对复合材料超低温疲劳损伤特性的影响，揭示复合材料的超低温疲劳损伤机理。本项目的研究将为碳纤维复合材料在超低温环境下使用的可靠性提供评估方法和理论预测模型。

轻质高强碳纤维增强树脂基复合材料已成为制造可重复使用飞行器上液氧燃料贮箱的理想材料选择，明确这种复合材料在超低温环境下的疲劳特性是当前亟待解决的关键问题之一。本项目针对T700碳纤维增强环氧树脂复合材料，采用试验和数值模拟相结合的方法，研究其在超低温环境下的疲劳特性。应用电液伺服力学试验机，研究了未经超低温处理、超低温浸泡120h处理、超低温/室温循环100次后，碳纤维/环氧复合材料试样的静拉伸强度，以及在应力比为-1，应力水平是压缩强度50%时的拉-压疲劳后的剩余强度；采用数值模拟计算及试验的方法对超低温环境的获得进行了设计，并最终制定了获得超低温试验环境的方案；确定了微裂纹密度随热循环疲劳次数增加而变化的规律以及微裂纹饱和密度；建立了考虑纤维随机分布并包含界面的复合材料微观力学数值模型。.对T700碳纤维/环氧复合材料所制作的单向板与正交板进行了超低温浸泡处理与常温/超低温热循环处理，由于碳纤维和基体的热膨胀系数不同，温度改变时，两者之间出现了变形不协调，产生了不平衡的内部应力，损伤界面，进而产生了微裂纹。拉-压疲劳处理也会使试样产生微裂纹，由温度变化和拉-压疲劳处理产生的微裂纹起到两个作用，一个是释放残余应力，一个是降低材料强度。开始产生的微裂纹较轻，不足以释放残余应力，使强度降低，接下来残余应力的释放起到主导作用，使材料强度提高，后来残余应力释放完成，微裂纹影响强度的作用又占据主导地位，因此，材料强度开始降低。所以，随着温度疲劳和载荷疲劳的作用，材料的强度会经历先降-再升-再降的过程。根据纤维随机分布并包含界面的复合材料微观力学数值模型分析，热残余应力的存在显著影响了复合材料的损伤起始位置和扩展路径，并使得复合材料在横向载荷下提前发生损伤，从而削弱了复合材料的横向拉伸和压缩强度。.本项目的研究揭示了复合材料的超低温疲劳损伤机理。为碳纤维复合材料在超低温环境下使用的可靠性提供评估方法和理论预测模型。