编织复合材料温度诱致损伤演化机制的多尺度耦合协同分析

Based on the special requirements towards composites for aeronautic and astronautic applications in abnormal temperature environment such as outer space or near engines, this project mainly focuses on temperature-induced micro crack and damage evolution of 3D braided composite materials at abnormal temperatures from experimental and theoretical views. Which includes: plan series mechanical experiments at various temperatures, apply real-time image acquisition to describe surface damage evolution, conduct comparative analysis of failure behaviors to explore influencing mechanisms of temperature on damage process; considering temperature, fiber waviness, weak interface, braided structure and physical state of matrix, establish multi-scale coupled and collaborative analysis model for 3D braided composites from fiber, yarn, integrated unit to macro structure, ensure effective information transmission across multi-scale, investigate temperature-induced micro crack and trans-scale damage evolution, reveal microstructural mechanisms for macroscopic response at different temperatures; put forward trans-scale structural optimization scheme and improve the mechanical properties of braided composites at abnormal temperatures. The purpose of this project is to study the mechanisms of temperature-induced damage evolution for 3D braided composites at abnormal temperatures and explore structural optimum design method for braided materials at abnormal temperatures. At the same time, some theoretical references and analysis methods will be offered through this study for the engineering design and application of braided composite materials at abnormal temperatures.

基于外太空或发动机附近等非常温环境对航空航天用复合材料性能的特殊要求，本项目对非常温下三维编织复合材料温度诱致微裂纹与损伤演化进行实验和理论研究。主要包括：开展系列温度场中力学实验，拟采用实时图像采集方式获得材料表面损伤演化过程，对比分析失效行为，探索温度对损伤过程的影响机制；计及温度、纤维屈曲、弱界面、编织结构和基体物理力学状态，建立涵盖纤维、纱线、完整单胞到宏观结构的三维编织复合材料多尺度耦合协同分析模型，拟实现尺度间有效信息传递，研究温度诱致微裂纹萌生及跨尺度损伤演化，揭示不同温度场中宏观力学行为的细观结构机制；提出可改善非常温场中编织复合材料力学性能的跨尺度结构优化方法。本项研究目的在于研究非常温场中三维编织复合材料温度诱致损伤演化机理，探索非常温中编织材料结构优化设计方法。同时，通过本项研究也为编织复合材料在非常温中的工程设计和应用提供一些理论参考和分析方法。

编织复合材料具有轻质高强、抗分层等特征，可用于航空航天等领域，但在使用过程中可能面临非常温环境。项目针对编织增强复合材料开展了一系列的相关实验研究与数值分析。通过研究铺层结构、三维角联锁结构、三维编织结构增强复合材料的温度敏感性，发现三维编织复合材料在压缩测试后具有较好的完整性，多数三维编织复合材料的温度敏感性低于平纹铺层复合材料，但大编织角三维编织复合材料的温度敏感性较高。对酚醛改性环氧树脂基体的性能研究发现，虽然酚醛能够略微改善室温中的材料性能，但不利于材料在高温场中的使用。针对三维编织复合材料建立了基于纤维尺度的“纤维-纱线-宏观结构”多级结构模型，通过多尺度耦合协同分析发现面纱中基体比内部纱线中基体容易损伤；在高温场中，面纱和角纱内部基体的热应力容易诱使基体失效。通过设计制备含有不同伸直纱数量的三维角联锁机织增强复合材料，研究伸直纱对复合材料压缩性能的影响情况，结果发现：伸直纱的增加可以提高复合材料沿伸直纱方向的压缩性能，但并非伸直纱越多越好。通过研究二维平面织物增强无机基复合材料的界面性能，同样发现沿拉拔方向伸直段占比高的织物与基体的界面性能较优。基于前期结果，通过引入轴纱和采用部分编织纱，优化设计三维编织复合材料结构，并借助自制编织设备完成试样的制备和实验表征。总体而言，在采用全部、1/2数量和1/3数量编织纱所构成的三维编织复合材料中，采用1/2数量编织纱的三维编织复合材料轴向压缩性能较优。该项目从复合材料的纤维体结构出发，研究不同纤维体结构增强复合材料在非常温场中的压缩性能及失效特点，并建立基于纤维层面的多级结构模型，通过多尺度耦合协同分析方法揭示三维编织复合材料在高温场中局部纤维层面的失效机制，可以为纤维体增强复合材料的结构设计及其在非常温场中的力学分析提供一定的理论参考，为纤维体增强复合材料在工程结构件中的应用提供经验分享。