考虑缺陷的C/C复合材料力学行为研究

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中文摘要：碳纤维增强热解碳基复合材料（C/C）具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温、耐热冲击等优异性能，是现阶段先进航空航天器及其动力系统不可缺少的备选材料。化学气相浸渗（CVI）法是制备高性能C/C复合材料的主要工艺之一。在制备过程中，受预制体结构、前驱体类型、反应温度与压强、气体传送介质等诸多因素影响，C/C复合材料通常具有较为复杂的微观结构，除纤维相、不同织构热解碳基体外，还存在孔隙和界面微裂纹等缺陷结构，其具有分布随机、形状不规则、取向自由等特点。这些复杂微观结构和C/C复合材料力学性能有着紧密联系，如能建立此类复杂微观结构参数和材料力学性能的直接对应关系，实现基于微观结构的C/C复合材料力学性能数值预测，不仅能为C/C复合材料结构件在设计过程中提供理论依据，也可为该材料的设计制造提供参数指导，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。 C/C复合材料属于典型非均质复合材料，传统实验在探究其微观结构和力学性能关系时需要较为昂贵且复杂的测试装备、冗长的测试周期；另一方面，鉴于孔隙和微裂纹等缺陷结构异常复杂，现有研究方案很难将其引入至C/C复合材料力学性能评估之中。本论文基于C/C复合材料微观图像，采用计算机图像技术对缺陷结构几何信息进行数值提取，依据复合材料结构特征构建合适的力学模型，成功预测了考虑微观缺陷结构的C/C复合材料的力学性能，并深入探究不同缺陷参数的影响规律。主要研究内容如下：化学气相沉积制备C/C复合材料微观结构的数值表征。使用化学气相沉积工艺分别制备了研究所需的C/C复合材料，采用光学显示装置观测并拍摄了复合材料的微观结构信息，在计算机图像处理技术基础上，分别提取了C/C复合材料微观图像中不同组分相的体积分数、几何特征和尺寸分布等信息，并对其进行统计分析。为后续C/C复合材料力学模型创建奠定了基础。 C/C复合材料及其组分材料力学性能实验测试。根据C/C复合材料及其组分(纤维束、热解碳基体)的力学性能测试标准，分别制备了待测试样并执行了相应测试；通过计算含裂纹C/C复合材料梁的柔度参数，在无需额外数字光学辅助设备下直接获得裂纹尖端的扩展长度，实现了断裂韧性参数的准确表征；推导了C/C复合材料中纤维束单轴拉伸强度服从的的分布函数，结合纤维束拉伸测试结果获得纤维束强度的期望和标准差参数。测试结果不仅可以定义C/C复合材料力学模型中各组分材料属性，也可以为后续数值预测结果提供实验验证。探究了考虑微观缺陷的C/C复合材料弹性性能预测方法。根据C/C复合材料微观结构表征结果，采用修正顺序随机吸附算法创建了C/C复合材料代表性体积单元，提出的“最短距离搜寻法”可以对缺陷-缺陷夹杂以及缺陷-纤维夹杂的非接触约束进行高速判断。通过对代表性体积单元施加周期性边界条件获得应力应变等场量，结合数值均质方法实现了等效弹性性能参数的数值预测；将数值计算结果与实验测试进行对比，验证了该研究策略可以较准确预测不同缺陷参数C/C复合材料的等效弹性性能。开展了基于缺陷保形映射的C/C复合材料弹性性能预测研究。采用保形映射方法对C/C复合材料中的缺陷几何轮廓进行映射与定义，结合修正顺序随机吸附算法创建含缺陷形状特征的代表性体积单元并对其进行有限元求解和数值均质计算，通过与实验测试进行对比验证所建模型的准确性。当缺陷轮廓映射点数量超过40时，计算结果收敛一致；综合考虑数值计算精度及计算效率，发现当代表性体积单元几何尺寸/夹杂相最大尺寸超过临界值8时，C/C复合材料弹性性能的预测结果具有97.5%的置信度；此外，缺陷体积分数及相对分布位置对C/C复合材料等效弹性性能及其横观各向同性特质有显著影响。开发了用于描述C/C复合材料层间界面断裂的黏聚单元。基于商业有限元软件Abaqus和Python脚本语言创建了用于表征C/C复合材料层间裂纹的无厚度黏聚力单元，确定了黏聚力单元的本构参数与积分形式；当断裂过程区单位长度所需无厚度单元的临界数量达到3.88时，计算结果与实现测试吻合较好；将损伤因子正则化为粘度损伤因子可以解决C/C复合材料分层断裂计算中隐式求解器的收敛问题；采用所建无厚度黏聚单元及相应的本构参数和单元参数可以准确预测C/C复合材料的层间混合断裂行为。揭示了缺陷结构对C/C复合材料渐进损伤行为的影响。依据Tasi-Wu张量多项式失效准则和黏聚力单元创建了C/C复合材料不同损伤形式下的刚度退化程序。开发了用于描述C/C复合材料不同载荷条件下，材料属性渐进损伤变化的子程序USDFLD。通过与实验结果相比，所建模型可以准确预测考虑缺陷的C/C复合材料的等效强度性能；通过计算不同缺陷体积分数C/C复合材料模型的极限强度和损伤失效形式，阐明了缺陷密度对复合材料渐进损伤行为的影响规律。

作者：

晁许江

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关键词：

碳纤维增强热解碳基复合材料化学气相浸渗法微观缺陷力学性能弹性性能层间混合断裂行为渐进损伤行为

授予学位：

博士

学科专业：

机械制造及其自动化

导师：

齐乐华

学位年度：

2020

学位授予单位：

西北工业大学

语种：

中文

中图分类号：