碳纤维金属芯体夹芯结构的芳纶短纤维界面增韧机理及桥联界面动态裂纹扩展准则研究

Composite sandwich structures frequently occur interfacial crack under dynamic loading, which seriously influent the reliability of structures. As a type of low-density ductile materials, aramid fibers are often used for interfacial toughening. However, due to the micro geometric non-uniformity and physical non-uniformity of short-aramid-fiber toughened interface, the dynamic behavior and failure mechanism of the interface are quite complex and unpredictable. In this research project, theoretical approach and experimental methods would be combined to study the toughening mechanism and dynamic crack propagation criterion of short-aramid-fiber toughened interface of metal core composite sandwich structures. Firstly, Asymmetric Double Cantilever Beam test would be conducted to measure the macro dynamic fracture toughness of the toughened interface, and to observe the micro toughening mechanism of short aramid fibers. Then, the dynamic interfacial fracture problem would be considered as a stability problem with unilateral constraint. The dynamic crack propagation of the toughened interface would be predicted, and the dynamic crack propagation criterion of the toughened interface would be established considering the rate-dependent mechanical behavior of bridged fibers. This research project would provide scientific basis for toughening design of interface of composite sandwich structures.

复合材料夹芯结构在动态载荷作用下经常发生对其完整性有致命影响的界面断裂。申请者的前期研究表明：芳纶短纤维作为一种低密度韧性材料，可有效实现夹芯结构的界面增韧。然而，由于芳纶短纤维增韧界面在微观尺度上的几何和物理非均匀性，其在动态载荷作用下的界面力学行为十分复杂。本项目拟以碳纤维金属芯体夹芯结构为研究对象，采用理论与实验相结合的方法，研究芳纶短纤维增韧界面的动态断裂行为并揭示相应的界面增韧机理。首先，通过非对称双悬臂梁实验，测量增韧界面的宏观动态断裂韧性，并观察短纤维对界面的微观增韧机理。然后，将界面动态裂纹扩展问题视为单边约束的稳定性问题，考虑裂纹张开速率对界面各组分力学行为与力学性能的影响，分析芳纶短纤维增韧界面的动态断裂行为，建立界面动态裂纹扩展的判别准则。本项目的研究成果可为复合材料夹芯结构的界面强韧化设计提供科学依据。

本项目按照计划针对碳纤维夹芯板壳结构开展研究研究，采用理论和实验相结合的方法，研究芳纶短纤维对界面的增韧机理及增韧界面的动态裂纹扩展准则，此外还研究了碳纤维板壳结构的优化设计理论。本项目按计划顺利执行。.通过非对称双悬臂梁实验，改变芯体表面粗糙度和加卸载速率，测量芳纶短纤维增韧碳纤维金属芯体夹芯结构的界面断裂韧性。研究发现芳纶短纤维界面增韧方法能够显著提高碳纤维面板/金属芯体界面的临界能量释放率，且增韧效果随芯体表面粗糙度的提高而提高。.通过扫描电镜、微距拍摄等观测手段，确定芳纶短纤维增韧界面的微观几何参数和纤维分布特征。同时，对动载荷下的短纤维增韧界面进行微观观测，发现当芯体表面粗糙度较低时，芯体表面无明显起伏、或低洼小于芳纶纤维的直径，导致芳纶短纤维无法嵌入芯体表面。此时，界面分层断裂更容易在界面层/芯体交界处发生，使界面扩展过程的平均临界能量释放率下降。相关实验观测揭示了芳纶短纤维对复合材料金属芯体夹芯结构界面的增韧机理。.结合短纤维增韧界面的微观几何特征，预测了界面裂纹扩展条件。发现了芳纶短纤维增韧界面的复合材料“圆角增强”微结构，该结构由树脂表面张力导致，具有提高界面等效粘接面积的作用。基于“圆角增强”界面等效粘接面积，确定了复合材料夹芯结构界面粘接强度的判据，并建立了相应的结构优化设计理论。优化理论与实验结果吻合良好。.以上研究结果可服务于航空航天载具结构设计、高速列车载具结构设计等重大运载装备领域，本项目具有成果转化和应用潜力。