芳纶纤维增强橡胶基密封复合材料疲劳行为及损伤机理研究

Short fiber reinforced rubber matrix composite (SFRC) is a new sealing composite, and it is widely used in petrochemical industry, automobile industry and manned space flight. The service life of SFRC will be shortened and the reliability of sealing system will be reduced under the alternating load, therefore, the design method of SFRC based on the static or quasi-static state load conditions will not satisfy operating requirements of high parameter and long life. This project focuses on the aramid fiber reinforced SFRC, and the compressive-compressive fatigue test is conducted. According to the results of fatigue test, the fatigue model which considers stress amplitude, stress ratio and loading frequency is established. The damage forms of SFRC are researched at different number of cycles, and the damage mode which plays a leading role is determined. The mechanical properties of component materials of SFRC are obtained by experiments, and the characterization methods of the interfacial fatigue strength are discussed. Based on the homogenization method, a micromechanical model of SFRC consisting of fiber, interphase and rubber matrix is established. The cohesive fatigue damage model and its application in the finite element software are studied. The damage mode and evolution mechanism of SFRC under fatigue load are obtained by numerical simulation, and then the quantitative relationship between the microcosmic failure mechanism and the fatigue behavior is established. 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，在石油化工、汽车工业以及载人航天等行业有着广泛应用。承受交变载荷会使垫片材料使用寿命缩短，密封系统可靠性降低，基于静态或准静态载荷条件的SFRC设计方法已经不能满足密封系统高参数和长寿命的使用要求。本项目以芳纶纤维增强SFRC为研究对象，对SFRC进行压—压疲劳试验，建立考虑应力幅值、应力比和加载频率等多因素的疲劳模型。试验研究不同循环次数下SFRC的损伤形式，确定各疲劳阶段起主导作用的损伤模式。测试SFRC各组分材料力学性能，探讨界面疲劳强度的表征方法。基于均匀化理论建立包含纤维、界面相和橡胶基体的三相两界面SFRC细观力学有限元模型，研究内聚力疲劳损伤模型及其在有限元软件中的应用，数值模拟疲劳载荷下SFRC的损伤起始及其演化过程，建立微观失效机理与宏观疲劳行为之间的定量关系。研究成果可为SFRC设计及密封性能预测奠定理论基础。

短纤维增强橡胶基密封复合材料（SFRC）以其优良的密封性能和环境友好特性正逐步替代传统密封材料，应用领域日益拓展。基于静态或准静态载荷条件的SFRC设计方法已经不能满足密封系统高参数和长寿命的使用要求。本课题以芳纶纤维增强的SFRC为研究对象，研究其在疲劳载荷下的损伤行为，从细观尺度揭示疲劳损伤演化机理，建立微观失效机理与宏观疲劳行为的联系，为SFRC材料的设计、应用及力学性能预测和优化奠定基础。.试验研究了不同应力幅值、纤维质量分数和疲劳次数对SFRC疲劳性能的影响。获得了材料的S-N曲线、最大应变—疲劳次数曲线和剩余强度。通过获得的试验结果，理论研究确定了适合SFRC材料的疲劳寿命模型、剩余刚度模型和剩余强度模型。通过SEM分析得到不同应力幅值、纤维质量分数和疲劳次数下SFRC的损伤失效模式。结果表明：应力幅值较低时，SFRC的损伤模式主要为界面脱粘；随着应力幅值的增加，其主要损伤模式为界面脱粘和纤维断裂共存；应力幅值较高时，其主要损伤模式为纤维断裂。纤维质量分数较低时，由于芳纶纤维含量较低，增强效果较弱，SFRC的主要损伤模式为界面脱粘和基体开裂共存；纤维质量分数较高时，SFRC主要以界面脱粘为损伤模式。依据界面疲劳损伤起始和演化准则，建立了内聚力疲劳累积损伤的数值模型，在纤维/基体间界面设置了内聚力单元，研究了SFRC疲劳失效行为，分析了应力幅值和纤维质量分数对SFRC界面疲劳损伤行为的影响，并通过试验验证了模拟结果的正确性。结果表明：应力幅值较低时（1 MPa、2 MPa），以界面脱粘为损伤模式的有限元模型可以有效地预测SFRC界面疲劳损伤行为；应力幅值较高时（3 MPa），有限元预测结果与试验数据相差较大。纤维质量分数较低时（2%），模拟得到的最大循环应变值低于试验值；纤维质量分数较高时（5%和10%），数值模拟结果与试验数据有较好的一致性。