高性能树脂基复合材料典型空天环境下的动态力学行为及损伤机理

Dynamic mechanical behaviors and damage mechanism of high performance polymer composites will be investigated in this study under typical aerospace environmental conditions of high frequency fatigue, impact and hypervelocity impact, in order to expand structural application of polymer composite in aircraft and spacecraft. The dynamic mechanical properties of high performance polymer composites are going to be characterized by MTS, drop hammer and hypervelocity impact test methods after experiencing vacuum thermal cycling from -140℃ to 180℃, elevated temperature, cryogenic temperature or humid heat exposure. And the fracture surface morphology, crack propagation, damage condition, internal true strain and surface chemical structure of the composites will also be examined by SEM, X-ray, ultrasonic C-scanning, thermal deploy, optical fiber grating detection, DMA, XPS and FTIR techniques. The damage mechanism of the examined composites would be revealed after the above investigations. It is expected to make progress in aerospace environments effects, property evaluation and characterization, dynamic mechanical damage modeling for the high performance polymer composites by means of theoretical analysis, ground experiment and in-situ measurement as well as computing simulation. This project will provide guideline and reference for selection of high performance structural material, optimum design and service-life prediction for aircraft, spacecraft and engine under dynamic conditions.

本项目以扩展高性能树脂基复合材料在航空航天结构件上的应用为目标，开展典型空天环境因素作用下复合材料高周疲劳、低速冲击和高速撞击的力学行为及损伤机理研究。为了揭示复合材料在动态加载条件下的损伤机制，在-140～+180℃真空交变温度场、高温、低温和湿热条件下，利用MTS、落锤、高速撞击实验机对复合材料在不同应变速率下动态力学性能的演化规律进行表征，并采用SEM、X射线、C扫描、热揭层、光纤光栅监测、DMA、XPS和FTIR等方法对试样断口形貌、裂纹扩展、损伤状况、内部真实应变及表层化学结构进行研究。通过理论分析、地面模拟试验与原位测量、计算机模拟等多种研究手段，实现对典型空天环境损伤效应、材料性能演化与表征、建立动态力学损伤模型等研究取得突破性进展。在此基础上为航空航天飞行器及发动机动态服役结构件用高性能结构材料的选材、优化设计及其服役寿命等决策工作提供科学可靠的依据。

高性能碳/双马来酰亚胺树脂基复合材料在飞机和直升机的机身、机翼等结构中具有广泛应用。在典型空天环境作用下，碳/双马复合材料受到损伤会直接影响飞行器服役的可靠性与寿命。本项目对碳/双马复合材料在空气/真空热循环、湿热、高温作用下的损伤效应与机理进行了研究。研究结果表明，经历空气/真空热循环、高温后，T700/HT280复合材料和基体树脂产生质量损失，质损率的演化规律均表现为先迅速升高，达到峰值后变化趋于平缓。湿热环境处理后复合材料与树脂的吸湿率均呈先迅速增加后趋于平缓的变化规律。空气/真空热循环处理后单向90°拉伸强度和多向铺层复合材料拉伸强度均降低。空气热循环处理后，多向铺层复合材料弯曲强度变化不大，真空热循环后出现明显下降。高温环境处理后复合材料的拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度均明显下降。湿热老化后，复合材料的层间剪切强度出现下降趋势，但对拉伸强度、弯曲强度的影响不明显。空气/真空热循环后，复合材料抗低速冲击性能均明显变差。随着冲击能量的增加，复合材料损伤模式均为先发生树脂挤压破坏后出现大面积分层破坏，最终发生纤维断裂破坏，冲击吸收能均不断增大。通过有限元模拟的方法计算出的低速冲击对复合材料产生的损伤位置、损伤形状与实际实验结果相符。空气/真空热循环、高温处理后多向铺层复合材料疲劳刚度变化曲线基本符合“快-慢-快”规律，疲劳寿命变短，抗疲劳性能下降。空气热循环处理后单向铺层复合材料刚度变化曲线下降速率比多向铺层小，抗疲劳性能依旧呈现下降趋势。湿热老化后复合材料的抗疲劳性能变化不明显。空气热循环处理后的HT280双马树脂蠕变曲线呈速度衰减变化趋势，是低分子量物质挥发、后固化和热老化综合作用的结果。三参数时间硬化模型比Kelvin模型更能准确描述空气/真空热循环处理前后试样的蠕变行为。上述研究成果为更合理选择飞行器用碳/双马复合材料提供了依据和参考，具有重要的科学意义及实际工程应用价值。

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