【摘 要】
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碳纤维增强聚合物复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）作为应用最广泛的先进复合材料之一,因其在比刚度、比强度、比模量等方面的优势,展现出优异的综合力学性能。考虑到碳纤维复合材料在航空航天、装备制造、交通运输等领域的潜在应用前景,深入理解其在不同服役工况下的微观力学行为与变形损伤机制,为优化CFRP层合板复合结构、改进复合制备工艺、研发新型轻质高强纤维复
【基金项目】
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国家自然科学基金委员会, 面上项目,51875241,基于失效机制原位测试的高熵合金人工关节耦合仿生构建; 科技部,国家重点研发计划（子课题）,2018YFF0101240201,原位监测技术开发与模块研制; 吉林省科技厅,吉林省自然科学基金重点项目,YDZJ202101ZYTS129,金属增材制造的原位监测及其材料性能的多场调控; 吉林省科技厅,吉林省重点科技研发项目课题,20180201126
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碳纤维增强聚合物复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）作为应用最广泛的先进复合材料之一,因其在比刚度、比强度、比模量等方面的优势,展现出优异的综合力学性能。考虑到碳纤维复合材料在航空航天、装备制造、交通运输等领域的潜在应用前景,深入理解其在不同服役工况下的微观力学行为与变形损伤机制,为优化CFRP层合板复合结构、改进复合制备工艺、研发新型轻质高强纤维复合材料提供科学基础。为全面深入了解CFRP层合板在多种服役工况下的微观力学性能和变形损伤机制,应变速率与力学参数和损伤失效形式之间的相关性,并提出CFRP层合板应变速率诱导的微观失效机制。与此同时,考虑到CFRP层合板承受载荷方向的时变性,不同铺层角度取向对其裂纹形核、扩展与层间失效的影响机制需进一步揭示。此外,考虑到树脂基CFRP层合板多层、多向编织模式导致的微观变形损伤机制难以被有效预测,研究多层、多向碳纤维复合材料的层间微观变形行为可以深入揭示其失效机制。因此,本文展开了以下三方面研究,具体研究内容如下:（1）研究了宽应变速率范围对不同铺层取向CFRP层合板的力学性能和微观变形损伤机制的影响。设计研发了适用于CFRP层合板原位测试并可与奥林巴斯光学显微镜集成使用的小型卧式原位力学性能测试仪器,并采用手工铺层工艺制备了不同铺层结构CFRP层合板试样。通过对仪器获取的拉伸应变提出误差校准,对（[0°/0°]、[0°/90°]）铺层取向CFRP层合板在准静态以及低速连续加载速率下的微观力学行为与失效机制进行了研究,获取了2.6×10-6s-1～2.6×10-3s-1应变速率范围下CFRP层合板试样的应力-应变曲线及其统计规律。揭示了随着应变速率的逐渐增加,其断裂强度和断后伸长率呈现“低-高-低”的变化趋势。结合扫描电镜对断口形貌的表征分析,建立了适用于不同应变率的多层/多取向CFRP层合板失效行为的普适性微观失效模型。（2）研究了CFRP层合板单层板裂纹形核与扩展机制,提出了不同铺层角度取向CFRP层合板微裂纹扩展模型。在准静态(2.6×10-6s-1)以及低速加载(2.6×10-36s-1)条件下,建立了平面内拉伸载荷作用下7种非平衡对称CFRP层合板的断裂强度、断后伸长率、杨氏模量以及等效断裂能与铺层取向角度的关联性,建立了层合板离轴层碳纤维复合材料单元体受力的理论模型,结合扫描电镜对断裂试样断口形貌的表征,揭示了不同铺层取向层合板断裂失效模式间的差异性,并据此进一步提出了不同铺层取向CFRP层合板微裂纹扩展模型,阐明了基体微裂纹诱导的断裂损伤失效机制。（3）通过原位拉伸测试实验以及有限元仿真分析揭示了CFRP层合板的拉伸失效机理与层数和铺层方向的关联映射。考虑到多层/多取向编织模式导致的失效机制的难以预测性,在恒定应变速率2.6×10-5s-1下针对无缺陷试样以及预制V形缺陷试样进行测试。随着层数的增加,其抗拉强度、等效断裂能、应变硬化系数均逐渐降低,而断后伸长率呈现出逐渐增加的趋势。通过基于层合板刚度理论开展的有限元仿真分析,结合扫描电镜对层合板层间界面失效模式的表征,阐明了导致层间界面失效的影响权重顺序依次为:90°/编织层、0°/90°层和0°/编织层。
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