三向正交纖維增強鋁基復合材料經(jīng)向拉伸漸進(jìn)損傷及其斷裂力學(xué)行為

鋁基復合材料有輕質(zhì)、高強度、高模量、低熱膨脹系數以及可設計性強等優(yōu)點(diǎn),在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應用[1,2] 連續碳纖維增強鋁基復合材料(CF/Al復合材料)的比強度和比模量高、抗老化以及耐熱性能好,在高超音速武器和航空發(fā)動(dòng)機等領(lǐng)域有廣闊的應用前景[3,4] 目前對單向CF/Al復合材料的研究,主要集中在制備[5]、組織性能分析[6]以及失效機理[7]等方面 但是,由于單向CF/Al復合材料的剪切模量和強度低以及垂直纖維方向的性能較差,在受到偏軸載荷的情況下存在開(kāi)裂與分層的問(wèn)題[8,9],限制了它的工程應用范圍 三維編織復合材料是一種以三維整體織物為增強體的新型復合材料,與傳統的單向復合材料相比,其厚度方向的纖維使其性能顯著(zhù)提高 厚度方向的纖維克服了層合板復合材料層間結合強度低而容易剪切分層的不足,可滿(mǎn)足多向承載的要求[10] 高雄等[11]使用真空輔助液態(tài)成型工藝制備了三種不同機織結構(淺交彎聯(lián)、淺交直聯(lián)及三維正交)的復合材料,其拉伸、壓縮、彎曲以及短梁剪切性能測試的結果表明：機織結構對宏觀(guān)力學(xué)性能有顯著(zhù)的影響,三維正交結構的經(jīng)向拉伸性能最好,而淺交彎聯(lián)結構的性能最差 馮景鵬等[12]用真空壓力浸滲制備了三維正交CF/Al復合材料,通過(guò)顯微組織及室溫、350℃和400℃下的性能測試分析了該復合材料的彎曲失效機理 Ahmed等[13]研究了三維正交復合材料(3DWC)在高速沖擊下的力學(xué)性能和破壞行為,發(fā)現Kevlar纖維層的破壞是纖維斷裂和拉出引起的,而碳纖維層破壞是由基體開(kāi)裂和纖維脆性破壞引起的 Wan等[14]提出了三維正交復合材料的多尺度建模方案,分析復合材料準靜態(tài)和高應變率壓縮載荷下的損傷行為并計算預測了宏觀(guān)壓縮變形破壞強度 Naik等[15]提出了一種三維正交編織復合材料強度的模型,可預測其在經(jīng)向靜態(tài)拉伸載荷和剪切載荷作用下的破壞行為 Sun等[16]通過(guò)有限元分析和實(shí)驗研究三維正交樹(shù)脂基復合材料的彈道沖擊損傷,驗證了細觀(guān)力學(xué)單胞模型在復合材料彈道沖擊極限強度預測中的有效性 目前三維正交復合材料承載變形損傷行為與失效機理的研究,主要集中在傳統樹(shù)脂基復合材料領(lǐng)域[17] 而有關(guān)三維正交鋁基復合材料的研究,僅見(jiàn)于材料的制備和性能測試 為了掌握其內在失效機理,有必要進(jìn)一步開(kāi)展其宏細觀(guān)結構損傷與斷裂力學(xué)行為的數值模擬與實(shí)驗研究 本文采用細觀(guān)力學(xué)數值模擬與實(shí)