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基于原位μCT表征技术的复合材料超低温损伤行为研究

纤维增强树脂基复合材料具有高比刚度/比强度、高稳定性、低热导率等优势,是重型运载火箭低温燃料贮箱的理想材料。全复合材料贮箱结构的设计与应用,被认为是进一步提高火箭运载效率的关键技术途径。然而,超低温环境下材料组分性能变化及热应力等因素,会显著影响复合材料的低温力学性能及损伤行为,给复合材料贮箱结构使役安全性设计与可靠性评价带来了困难。现有研究多采用离位方法观测复合材料的低温失效模式,超低温环境下复合材料内部损伤演化行为与机理有待进一步揭示。

近日,我院雷红帅教授、王潘丁副教授等人在方岱宁院士的指导下开展了基于低温原位μCT表征技术的复合材料低温失效机理研究,明晰了超低温环境下复合材料层板内部的损伤演化特征及影响机制。研究成果以“Cryogenic damage mechanisms of CFRP laminates based on in-situ X-ray computed tomography characterization”为题发表于复合材料力学领域顶级期刊《Composites Science and Technology》(IF=9.1, )。

该研究首次开展了复合材料层板的超低温原位μCT表征,结合多尺度计算分析方法研究了超低温环境下树脂基复合材料层板内部的损伤演化行为及影响机制。研究首先基于超低温原位微焦点CT表征系统,在293K、193K、93K等典型温度下开展了层板拉伸过程的原位表征,如图1所示。基于层板内部微结构形态特征,损伤类型被划分为90°铺层基体裂纹、-45°铺层基体裂纹和分层损伤。原位表征结果(图2)表明,超低温环境下层合板的损伤行为加剧,90°铺层基体裂纹和分层损伤的体积分数显著增加,且拉伸过程中初始损伤提前萌发。层板的损伤形貌表明,室温与低温环境下的分层损伤均由90°铺层基体裂纹扩展生成,而超低温环境下由于热应力的产生,加速了裂纹扩展过程。

图1 超低温原位力学μCT表征实验设置

图2不同温度下层合板损伤演化过程

研究基于原位表征结果和树脂基体温度相关本构模型,建立了宏-细观多尺度计算分析模型以描述不同温度下层合板损伤的起始与演化过程,如图3所示。有限元计算结果中层板的损伤行为也随温度降低而加剧,准确表征了超低温环境下层板的损伤特征。基于剪滞模型和数值分析结果,获得了低温下基体横向开裂的断裂韧性。

图3不同温度下90°铺层基体裂纹计算结果对比

随后,研究基于宏-细观多尺度计算分析模型,进一步探讨了超低温对损伤行为的影响机制,研究结果表明基体裂纹受基体性能与热应力的综合影响,低温下树脂基体强度的提升会减缓基体开裂,而基体模量增加、热应力等因素对基体裂纹和层间开裂起促进作用;基体的低温韧脆转化是分层损伤的主要因素,室温下基体的塑性变形可以有效抑制分层裂纹的扩展(图4),低温下基体转化为线弹性导致分层损伤加剧。

图4 基体裂纹尖端应力与等效塑性应变分布

该研究揭示了树脂基复合材料层板的低温损伤演化机理,并通过宏-细观计算模型分析了超低温环境对层合板损伤行为的影响作用机制。研究结果可以超低温环境使役结构的安全性设计与可靠性评价提供理论和技术支撑。该研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划等项目的支持。

我院雷红帅教授、王潘丁副教授等人,前期针对运载火箭复合材料低温燃料贮箱的轻量化和安全性设计需求,围绕超低温环境下复合材料力、热、渗漏等特性,开展了一系列实验表征与分析方法研究。代表性成果如下:

[1] Meng et al. Mechanical properties and internal microdefects evolution of carbon fiber reinforced polymer composites: Cryogenic temperature and thermocycling effects. Composites Science and Technology 191 (2020) 108083. (超低温与低温循环对复合材料力学性能影响效应)

[2] Meng et al. Leakage performance of CFRP laminate under cryogenic temperature: Experimental and simulation study. Composites Science and Technology 226 (2022) 109550. (复合材料低温渗漏性能及分析评价方法)

[3] Li et al. Damage evolution characterization of glass fabric composites at cryogenic temperatures via in-situ tensile X-ray computed tomography tests. Composites Communications 35 (2022) 101326. (超低温环境下复合材料损伤演化原位表征方法)

[4] Li et al. Cryogenic mechanics and damage behaviors of carbon fiber reinforced polymer composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 169 (2023) 107484. (复合材料低温力学性能多尺度分析方法)

[5] Meng et al. Mode I fracture toughness with fiber bridging of unidirectional composite laminates under cryogenic temperature. Composites Science and Technology 246 (2024) 110386. (超低温环境下复合材料层间断裂韧性演化机理)

[6] Li et al. Cryogenic thermal conductivity of carbon fiber reinforced polymer composite laminates. International Journal of Heat and Mass Transfer 226 (2024) 125521. (复合材料低温导热性能及理论预示模型)