C/C复合材料在热力环境下的阻尼行为与损伤表征

C/C composite is one of the most potential advanced thermo-structure materials in fields of aeronautics, astronautics and braking. Performance evolution and damage characterization of C/C composites in service environments is one of the most essential research issues for applications. Damping is not only an important performance for the materials in the application of vibration, shock and noise environments, but also an important means for investigating microstructure evolution. This research project presents a systematic investigation on the evolution and mechanisms of damping behavior and microstructure damage of C/C composites in thermodynamic environments by factor analysis method. The damage controlling factor and the mechanism of coupling factors will be confirmed. A damage model of C/C composites will be established to reveal mechanisms of damping and microstructure damage in thermodynamic environments, and characterization relationship of damping behavior and microstructure damage will be obtained. A failure model of C/C composites in thermodynamic environments will be established by investigating the relationship of damping behavior and mechanical properties in the same damage mode, to predict mechanical properties of C/C composites damaged in thermodynamic environments. The project will provide theoretical references for reliability prediction and provide a new characterization method for investigation on microstructure evolution of C/C composites in typical service environments.

C/C复合材料是航空、航天、刹车等领域最具发展潜力的先进热结构材料之一，其最核心的应用基础课题之一是服役环境中的性能演变和损伤表征。阻尼不仅是评价和衡量材料在振动环境中应用的重要指标之一，而且是研究材料在服役过程中微观结构变化的重要表征手段。本项目拟采用因素分析法系统研究热力环境对C/C复合材料阻尼行为和微结构损伤的影响规律和机理，确定损伤控制因素及各因素耦合作用机理，建立C/C复合材料热力环境下的损伤模型，揭示其在热力环境下的损伤机制和阻尼机理，建立起C/C复合材料阻尼行为与微结构损伤之间的表征关系；并通过研究热力损伤后C/C复合材料阻尼行为演变与力学性能之间的关系，建立热力环境下C/C复合材料的失效模型，实现对热力损伤后C/C复合材料的力学性能预测。本项目研究成果可为C/C复合材料在热力环境下结构损伤的演变提供新的表征方法，并将为C/C复合材料在服役环境下的可靠性预测奠定基础。

C/C复合材料具有密度低、耐高温、抗烧蚀等优异性能，作为一种发展潜能非常高的高温热结构材料，被广泛应用于航空、航天、军事等高技术领域。为了掌握其在服役过程中因严酷的热力循环和交变载荷而产生的力学、结构等性能的演变规律，本项目系统研究了热力环境中温度和疲劳载荷对C/C复合材料微结构、阻尼行为及力学性能的影响规律，揭示了单一因素及多因素耦合影响机理，明确了微结构变化及阻尼行为和力学性能演变之间的关系。获得的主要研究成果如下：.（1）高温热处理引起的C/C复合材料微结构变化对阻尼行为和力学性能具有相反的影响效果。随着热处理温度的升高，C/C复合材料石墨化程度逐渐提高，碳基体的片层结构增多，同时纤维/基体界面结合强度降低，有利于增加纤维/基体脱粘的区域。这些微结构变化对C/C复合材料的阻尼性能均产生有利影响。因此，C/C复合材料阻尼性能随热处理温度的升高逐渐增大。然而，C/C复合材料的抗弯强度随着热处理温度的提高逐渐降低。.（2）疲劳引起的C/C复合材料微结构变化对阻尼行为和力学性能具有相似的影响效果。在拉拉疲劳过程中，无论是在不同加载应力水平下，还是在不同加载循环次数下，C/C复合材料均表现出阻尼性能增强的现象。这是因为疲劳损伤会使纤维/基体的强界面结合变为弱界面结合，有利于产生纤维脱粘、拔出以及界面滑移，从而使C/C复合材料阻尼性能得到提高。同样地，C/C复合材料的弯曲强度在疲劳加载后均出现疲劳强化的现象。.（3）高温疲劳耦合作用下，C/C复合材料阻尼性能随热处理温度和疲劳加载次数的增高表现为增大趋势。而C/C复合材料的弯曲性能均较原始状态高，随加载循环次数的升高呈先增大后降低的规律。因此，在高温疲劳耦合作用下，疲劳对C/C复合材料弯曲性能起主导影响作用，而其阻尼性能则由高温和疲劳共同决定。