碳-碳復(fù)合材料微細觀結(jié)構(gòu)的表征及對有效性能的影響研究.pdf

1、多向編織碳/碳復(fù)合材料作為重要的高溫熱結(jié)構(gòu)材料在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而在多向編織碳/碳復(fù)合材料的制備、加工以及使用過程中，不可避免地會產(chǎn)生微裂紋、孔洞以及界面脫層，這些微觀結(jié)構(gòu)特征對材料的使用性能有著十分顯著的影響。多向編織碳/碳復(fù)合材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)具有非均勻性、隨機性特征，直接導(dǎo)致了其力學(xué)性能也具有隨機性分布，然而由于長期以來難以獲得材料內(nèi)部原位、無損的微觀結(jié)構(gòu)特征，多向編織碳/碳復(fù)合材料力學(xué)性能的隨機性研究還處于初始

2、階段。因此，本文對多向編織碳/碳復(fù)合材料內(nèi)部微細觀結(jié)構(gòu)特征進行了觀測和表征，以此為基礎(chǔ)分析了碳/碳復(fù)合材料的組分材料以及界面層的有效性能，并對碳/碳復(fù)合材料的有效性能進行了分析，研究了微細觀結(jié)構(gòu)對有效性能的影響。主要研究內(nèi)容如下：
　　多向編織碳/碳復(fù)合材料內(nèi)部的基體和界面層為多相非均質(zhì)材料，將孔洞和脫層視為均勻介質(zhì)內(nèi)部的夾雜相，使用了多相非均質(zhì)材料的等效夾雜理論，推導(dǎo)出有效彈性性能計算公式，并使用了多孔介質(zhì)的強度理論推導(dǎo)出強度計

3、算公式及其影響因素。纖維束為橫觀各向同性材料，使用了平均場近似和自洽近似，對其有效彈性性能進行了分析，并使用了細觀強度理論分析了纖維束的強度及其分布，結(jié)果顯示纖維束的強度滿足正態(tài)分布。
　　對多向編織碳/碳復(fù)合材料的宏-細-微觀結(jié)構(gòu)特征進行了研究。首先研究了多向編織碳/碳復(fù)合材料的周期性結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)其編織方式并結(jié)合體視顯微鏡、偏光顯微鏡等觀測分析將材料劃分為周期性單胞以及子單胞，由于在觀測中發(fā)現(xiàn)材料的內(nèi)部基體與纖維束之間存在明顯

4、的界面層，在子單胞中特別提出界面層作為材料的重要組元。然后重點研究了多向編織碳/碳復(fù)合材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，使用高分辨Mirco-CT觀測系統(tǒng)對多向編織碳/碳復(fù)合材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的觀測分析，獲取了無損、原位的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)信息，發(fā)現(xiàn)在多向編織碳/碳復(fù)合材料內(nèi)部，基體中存在大量的孔洞而界面層中存在大量的脫層，其直徑集中分布于20微米至150微米之間。此外還使用了壓汞法對多向編織碳/碳復(fù)合材料內(nèi)部的孔隙進行了測試分析，結(jié)果顯示材料內(nèi)部

5、的孔隙尺寸分布與Micro-CT的觀測結(jié)果一致。
　　研究了多向編織碳/碳復(fù)合材料的組分材料（基體和纖維束）的力學(xué)性能及其分布。使用納米壓痕技術(shù)測試獲得多向編織碳/碳復(fù)合材料中無孔碳基體的彈性性能，獲得其彈性模量。對基體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)特征進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)基體內(nèi)部孔洞的孔徑分布滿足對數(shù)正態(tài)分布，在此基礎(chǔ)上計算含有孔洞的基體的有效彈性性能和強度，獲得其均值以及離散度等數(shù)據(jù)。分析了多向編織碳/碳復(fù)合材料中纖維束的有效彈性性能，并對纖維

6、束的強度及其分布規(guī)律進行了計算和分析。
　　對界面層的微觀結(jié)構(gòu)信息進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)界面上脫層的直徑分布同樣滿足對數(shù)正態(tài)分布，以此為基礎(chǔ)對界面層的力學(xué)性能進行了計算分析。通過纖維束頂出實驗對界面層力學(xué)性能進行了測試，并與計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)實驗獲得的剪切強度低于計算值。對纖維束頂出建立有限元模型，對頂出實驗中界面層的應(yīng)力分布進行分析，解釋纖維束頂出實驗結(jié)果低于計算結(jié)果的原因。
　　建立多向編織碳/碳復(fù)合材料子單胞的有限元模

7、型，將組分材料和界面層的力學(xué)性能導(dǎo)入子單胞模型，作為組元性能的輸入?yún)?shù)，分析子單胞的力學(xué)行為，獲得子單胞的有效彈性性能。將子單胞的有效彈性性能導(dǎo)入單胞模型，分析了多向編織碳/碳復(fù)合材料的有效性能，并分析了組元特征對有效性能及其離散程度的影響。結(jié)果顯示，纖維束對材料的有效性能及其離散度的影響大于基體和界面層；材料在承受 Z向荷載時受力均勻，有效性能分散性小；而承受X或Y向荷載時，在碳布交疊處纖維彎曲部分存在應(yīng)力集中，對纖維束性能的分散性產(chǎn)