大飞机用国产复合材料裂纹扩展与断裂模式的研究

摘要

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)因其高比强度、高比刚度、良好的抗疲劳性和材料铺层的可设计性等优异特性，在大型飞机的结构中得到日益广泛的应用。要自主研制大飞机，使用复合材料是是必然的选择。大飞机苛刻的安全性、可靠性要求系统地掌握复合材料的损伤破坏和承载能力，其中很重要的一点是掌握复合材料的损伤、断裂模式和裂纹扩展规律。
　　 本文主要利用扫描电镜原位拉伸技术对国产CFRP单向板和简单层合板的细观裂纹进行观察，得到了拉伸载荷下的细观裂纹扩展规律和断裂模式，结合现有的复合材料裂纹偏转准则，分析了影响裂纹扩展路径和断裂形式的因素。主要结果如下：
　　 (1)国产CFRP单向板的破坏是众多首先断裂的纤维以界面、基体开裂的形式相贯通形成断裂的纤维束，纤维束裂纹之间以界面裂纹失稳扩展的形式相贯通造成材料的断裂。材料内部的初始缺陷对最终的断裂影响很小，断口形式和细观裂纹的扩展模式具有不确定性。
　　 (2)纤维强度分布的离散性和纤维在基体中分布的离散性，以及各裂纹之间的互相影响使得现有复合材料细观裂纹偏转准则无法有效地描述国产CFRP复杂的损伤演化过程和断裂行为。
　　 (3)叠层结构阻止了各单层界面裂纹的大范围扩展，使得层合板宏观断口较平齐。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2复合材料概述

1.2.1复合材料的组成

1.2.2复合材料的分类

1.2.3复合材料的结构式

1.2.4复合材料的界面

1.3研究现状

1.3.1复合材料细观裂纹理论及其有限元模拟

1.3.2纤维增强复合材料裂纹扩展的实验研究

1.4本文的研究目的和研究内容

第2章 复合材料细观裂纹偏转准则

2.1裂纹扩展的基本判据

2.2界面裂纹的偏转准则

2.3纤维和基体裂纹在界面处的偏转准则

2.4本章小结

第3章 国产碳纤维复合材料基本力学性能与微观形貌的实验研究

3.1扫描电镜原位拉伸的实验方法

3.1.1原材料

3.1.2试样制备

3.1.3实验设备

3.1.4 SEM动态拉伸的原位观察方法

3.2单向板纵向、横向拉伸强度的测定

3.3国产碳纤维复合材料的细观形貌和初始缺陷

3.3.1单向板纵截面方向的细观形貌

3.3.2单向板横截面细观形貌

3.3.3单向板的初始缺陷

3.4本章小结

第4章 国产碳纤维复合材料细观裂纹扩展路径与断裂模式的分析

4.1单向板纵向拉伸时细观裂纹扩展路径和断裂模式

4.1.1纤维含量63%的a型国产碳纤维复合材料

4.1.2纤维含量63%的b型国产碳纤维复合材料

4.1.3纤维含量40%的a型国产碳纤维复合材料

4.1.4单向板纵向拉伸时的裂纹扩展规律及断裂模式

4.2单向板横向拉伸时细观裂纹扩展路径和断裂模式

4.2.1裂纹在纵截面内的扩展

4.2.2裂纹在横截面内的扩展

4.2.3单向板横向拉伸时的裂纹扩展规律及断裂模式

4.3层合板受拉伸时的断裂模式

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢