基于均匀化理论的4D轴编C/C复合材料的细观力学性能预测

为实现4D轴编C/C复合材料细观力学性能的预测,首先针对4D轴编C/C复合材料的结构特点,建立了其代表性体积单元;然后利用均匀化理论和周期性边界条件为理论基础,编写了一般周期性边界条件子程序作为位移边界条件,分析讨论了代表性体积单元的变形特征、应变分布特征,获得了等效刚度矩阵;同时与编写的周期性边界条件子程序作为位移边界条件情况下的计算结果和已有实验结果分别进行了对比。研究结果表明,随着界面强度的增加,一般周期性边界条件预测的材料力学性能相比周期性边界条件预测情况下的误差小,更接近实验数值,从而验证了编写的一般周期性边界条件子程序的有效性和正确性,并进一步得出了代表性体积单元参数对材料力学性能的影响规律,得到了一些有一定指导意义的结果。

多向轴编C/C复合材料微结构Micro-CT原位扫描与拉伸破坏机理

采用高分辨X射线断层扫描（Micro—CT）技术，对多向轴编C／C复合材料内部微细观结构特征给予统计分析，研究了该材料在室温环境下的拉伸性能与破坏机理。结果表明，4D轴编C／C材料的各向增强纤维束截面形态较规整，走向较平直，未见相互挤压变形；在炭基体、纤维束与基体间的界面层内部随机分布着大量的孔洞、裂纹及脱层等微缺陷，其中界面层内孔洞平均孔径约为138μm，孔隙率高达25％～30％，显著影响界面剪切性能。材料轴向拉伸主要表现为2种失效形式，分别为纤维束棒拔脱和纤维束棒断裂，呈现为假塑性断裂，界面剪切强度、纤维柬拉伸强度是轴向拉伸性能的关键控制因素。径向拉伸以纤维束断裂为主要破坏形式，呈现脆性断裂特性，轴向拉伸非线性较径向显著，纤维束拉伸强度是径向拉伸性能的关键控制因素。

轴编C/C复合材料组分材料有效性能

利用光学显微镜观测和测量轴编C/C复合材料细观编织结构及其尺寸,建立轴编C/C复合材料有限元模型,通过给出组分材料有效性能的变化区间,构造组分材料性能与轴编C/C复合材料宏观有效性能的对应关系,利用径向基函数(RBF)人工神经网络(ANN)方法,对该高度非线性的对应关系进行训练,通过轴编C/C复合材料宏观实验结果,预报其组分材料的有效性能。结果表明,轴编C/C复合材料面内弹性性能基本相同,在测量时可忽略面内纤维束铺设方向的影响;人工神经网络对训练样本有一定的依赖性,但通过多次随机构造样本训练网络,可得到理想的预测结果,且人工神经网络方法具有很好的容错性,能很好地预报轴编C/C复合材料组分材料的有效性能。

轴编C/C复合材料喉衬的多尺度烧蚀分析方法

针对轴编C/C复合材料的结构形式和烧蚀机理,建立了喷管喉衬烧蚀的多尺度分析方法。通过宏观-微观的渐进分析,获得了喷管喉衬的烧蚀率和烧蚀形貌。数值模型反映了喷管热反应边界均匀反应、流场参数、燃气传质过程和材料微观烧蚀对喉衬烧蚀性能的影响。数值计算结果和实验数据吻合较好,表明所建立的数值模型可有效预测轴编C/C复合材料喉衬的烧蚀性能。

纤维棒直径对轴编C/C复合材料拉伸强度的影响

为了研究增强相尺度对轴编C/C复合材料拉伸性能的影响,通过对具有不同直径纤维棒的材料微结构的观测,结合材料的细观和宏观力学性能实验,研究了纤维棒直径引起的材料拉伸性能变化。结果表明:在编织参数不变的情况下,纤维棒直径增加,棒内大尺度裂纹增多,降低了材料的拉伸强度,但模量变化不明显。

(SiC+B4C)p/AZ91D复合材料的组织及性能

采用微波烧结制备了(SiC+B4C)p/AZ91D复合材料,研究了不同体积分数(SiC+B4C)p(0%、5%、10%、15%、20 vol%)对复合材料组织及性能的影响。结果表明:(SiC+B4C)p/AZ91D复合材料的组织主要由α-Mg、SiC、B4C、Mg17Al12和少量MgO等组成。随着(SiC+B4C)p含量的增加,(SiC+B4C)p/AZ91D复合材料的相对密度减小,显微硬度增加,而抗压强度先增后降,当(SiC+B4C)p含量为15%时达到最大值。15%(SiC+B4C)p/AZ91D复合材料的显微硬度和抗压强度分别达到196.16 HV0.025和326.3 MPa,相对于未添加(SiC+B4C)p的AZ91D材料分别提高了145%和120%。随着(SiC+B4C)p含量的增加,复合材料的耐磨性先提高后降低,磨痕由清晰的犁沟形貌逐渐模糊,磨损机制由磨粒磨损转变为剥层磨损。

三维轴编C/C复合材料双向拉伸实验研究

设计了双向拉伸十字型试样,采用不同的加载比例和加载方向对三维轴编C/C复合材料进行双向拉伸实验,面内方向施加1∶1和1∶2的载荷,面外方向施加1∶1的载荷。实验结果表明,十字型试样的初始破坏发生在中心打薄区域,材料为脆性断裂。面内双向拉伸破坏主要为径向纤维束的断裂和基体的开裂,断口大多沿60°方向;面外双向拉伸破坏主要以纤维束的断裂、炭棒的拔出和基体开裂为主,断口形貌较为复杂。材料在不同载荷形式下有着不同的强度值,相对于单向拉伸强度,存在强度弱化现象。根据实验数据确定了蔡-吴强度准则的参数,为三维轴编C/C复合材料结构强度设计及校核提供参考。

轴编C/C复合材料性能预示及细观参数优化研究

为了研究微细观结构特征对轴编C/C复合材料宏观性能的影响,将均匀化方法、能量法与有限元方法相结合,以单胞模型为基础,建立了材料的宏观性能预示模型.结合Python语言编程生成满足细观组分微结构特征分布规律的几何模型,并利用有限元方法和试验结果对其刚度性能进行厘定,作为宏观性能预示的参数输入.利用预示模型对材料宏观性能进行预示,与试验结果的一致性较好.通过对具有不同编织间距和纤维棒直径材料的性能进行预示,获得了其性能随编织间距及纤维棒直径的变化规律.采用的研究手段及结果可以为复合材料的工艺优化及合理应用提供重要参考.

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的工作环境面临高温、高压、高速燃气流和大量凝聚相颗粒的烧蚀和冲刷,对材料的抗烧蚀性能和热结构特性要求十分严格。因此,从烧蚀实验和热结构特性实验研究、热结构特性预测与气体-颗粒两相流数值模拟三个方面,论述了轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展。总结讨论了实现真实烧蚀工作环境的模拟和影响烧蚀实验参数的控制是高温烧蚀实验的难点,对于铝颗粒添加下工况的烧蚀实验和在细观尺度下热结构特性参数的测定实验是重点;提出从实验件类型、实验系统设计和对比有无铝颗粒添加下的工况进行烧蚀实验;提出采用一种热稳定性材料取代界面的实验方案进行热结构特性参数的测定实验。在热结构特性研究的细观尺度方面,组分材料之间的界面对热结构特性的影响有待深入研究,提出在代表性体积单元模型的基础上引入温度的周期性边界条件来实现热结构参数的预测。在气粒两相流数值模拟方面,发动机内不同相之间相互耦合作用以及对轴编C/C复合材料的机械侵蚀是数值模拟研究的难点,提出使用SDPH-FVM耦合的方法去解决内流场燃烧流动的问题,进一步可用来揭示内流场燃烧流动机理。

软硬混编预制体增强沥青基4D-C/C材料的拉伸破坏行为

以X-Y平面依次铺设炭纤维束、Z向穿插炭棒的4D软硬混编为预制体,采用沥青液相常压、高压浸渍/炭化-石墨化循环致密工艺制备4D-C/C复合材料。通过该材料Z向(炭棒方向)的拉伸实验,测定其拉伸性能和力学行为,并采用SEM分析试样表面及断口形貌。结果表明:宏观上拉伸试样以炭棒整体拔出的形式破坏;细观尺度上,试样表面形成了与载荷方向垂直的贯穿性裂纹,裂纹以2 mm左右的距离呈等间距分布;材料进一步的破坏过程中,基体裂纹在X-Y向纤维束中呈线性扩展,快速分割了基体材料,使4D-C/C复合材料的拉伸破坏演变为1D-C/C复合材料的破坏模式,由于炭棒与基体炭界面结合弱,炭棒以拔出方式失效和破坏。

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性分析

为研究固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性,以组分材料之间界面分析为基础,完成热结构参数的实验测定与基于代表性体积单元的等效热物理参数的预测,得出轴编C/C复合材料的等效热膨胀系数与等效热导率系数。分析表明:基于代表性体积单元程序温度周期性边界条件的应用,可以较精确预测复合材料等效热膨胀系数和等效热传导率;得出了组分材料界面相对等效热结构参数的影响,组分材料界面相采用一定厚度的单元模拟更加接近实验数据;讨论了等效热膨胀系数和等效热导率随编织参数的变化规律。

温度参数下轴编C/C复合材料的超高温热结构性能分析

为了研究轴编碳/碳(C/C)复合材料的超高温热结构性能,开展了2800℃超高温载荷下复合材料的拉伸实验,表征了复合材料组分材料的高温失效形貌;提出了立方体单胞和正六棱柱单胞的温度周期性边界条件的算法和预测复合材料等效热结构参数的方法,在材料属性各向同性正六棱柱单胞模型上验证了方法的正确性;最后建立了轴编C/C复合材料的代表性体积单元,计算了复合材料随温度载荷变化下的等效热结构参数,与实验数据进行了对比分析。分析表明:开展的轴编C/C复合材料的超高温拉伸实验,可以得到复合材料在2800℃载荷下复合材料的等效刚度值,同时分析了轴向试件和径向试件的高温失效机理,径向试件的纤维束拉伸强度对复合材料的径向拉伸强度起到决定性的作用。在应用位移以及温度周期性边界条件的基础上,提出的方法可以得到随温度载荷变化下复合材料的等效热结构参数,得出复合材料在横向满足近似各向同性的特性,预测结果表明只改变温度参数下复合材料的等效热导率不会发生改变。提出的方法同样也适用于其他编织复合材料的热结构性能研究。

内压下轴编碳/碳复合材料喉衬细观结构与宏观应力状态的关联模型

针对内压作用下的中空轴编C/C复合材料设计问题,提出依据复合材料均匀化理论,将中空结构简化为功能梯度材料圆筒的构想,构建了轴编C/C复合材料细观结构与宏观应力分布的理论关联模型。以中空结构等应力分布为设计目标,采用所建立的关联模型设计获得轴编C/C复合材料的编织工艺方案,并通过有限元仿真验证了方案的正确性。结果表明,建立的关联模型为轴编C/C复合材料喉衬的编织工艺设计提供了理论支撑,通过对碳棒和纤维束排布规律等细观结构的设计,喉衬内外周向应力差减小了24.58%。

C/C复合材料预制体的研究进展

C/C复合材料是航空航天领域重要的热结构材料,碳纤维预制体是其最主要的基础技术之一,决定着C/C复合材料的各项性能。本文主要介绍了针刺毡、细编穿刺预制体和轴棒编织预制体等C/C预制体,对比了不同预制体的工艺方法、性能和应用特点。针刺毡预制体由于成本低、烧蚀均匀等特点,广泛应用在固体火箭发动机喷管和飞机刹车盘领域;细编穿刺预制体具有纤维体积含量高、致密化周期短和烧蚀率低等特点,应用在固体火箭发动机喉衬;轴棒编织预制体由于织物中70%以上纤维垂直于燃气流方向,提高了材料的抗烧蚀性能,适于制造大型固体火箭发动机。针对国内预制体的研究状况,提出了要加强预制体的孔隙结构、纤维排布等对C/C复合材料的力学、热物理学以及后续致密化工艺影响的研究,更好地促进预制体的发展,进一步提升我国C/C复合材料的性能。

4D轴编C／C复合材料力学性能实验研究

通过宏观力学实验研究了4D轴编C/C复合材料的各向拉伸、压缩和剪切性能。采用ARAMIS非接触式应变测试系统有效地解决了常规测试中应变片和试样变形不协调的问题。结果表明:4D轴编C/C复合材料在拉伸、压缩和剪切时表现出较强的各向异性,具有双模量和非线性特征,径向拉伸表现为裂纹分层扩展,轴向拉伸表现为炭棒拔出,压缩时延性增加,表现为剪切破坏。拉伸时体现出脆性特征,压缩时更多地体现出伪塑性特征;剪切时xz面试样表现为分层破坏,xy面表现为纤维束拔出破坏。

4D炭/炭复合材料的微观热结构特性分析

为了研究轴编炭/炭(C/C)复合材料的微观热结构特性,开展了C/C复合材料的微观特征的表征实验。基体和界面存在孔隙和裂纹,可以等效为椭球形状;以均匀化理论为基础,推导了六面体单胞周期性边界条件的表达式,建立了组分材料基体和界面的代表性体积单元(RVE)计算模型,并计算和分析轴编C/C复合材料组分材料基体和界面的等效热结构特性。结果表明:随着孔隙率的增大,基体和界面的等效热导率降低,等效热膨胀系数减小,孔隙率对等效热膨胀系数的影响作用明显。

软硬混编预制体增强沥青基4D-C/C材料弯曲行为

以z向穿插炭棒、x-y向铺层纤维束法编织的软硬混编4D炭纤维预制体为增强体，采用沥青液相浸渍／炭化法制备了4D—C／C复合材料，研究了材料z向（炭棒方向）高温弯曲行为及损伤机理。结果表明：在室温～2100℃范围，随着温度的升高，4D—C／C复合材料z向弯曲强度呈现先增加后减小的趋势。在室温～1800℃时弯曲强度呈现增加的趋势。1800℃后随着温度升高弯曲强度开始逐渐降低，但当温度达到2100℃时其弯曲强度仍比室温下稍高。在室温一2100℃范围，随着温度的升高，软硬混编预制体增强沥青基4D—C／C复合材料。向弯曲断裂应变一直呈增加的趋势，而弯曲弹性模量总体呈减小的趋势。室温下4D—C／C应力一应变曲线几乎为线性关系，高温下4D—C／C复合材料z向弯曲破坏更加趋向于非线性的破坏模式。损伤表征结果表明，随着温度的升高，材料破坏时的最大损伤逐渐增加。