2.5D机织C_f/Al复合材料高温拉伸力学行为数值模拟与实验研究

摘要

2.5D机织复合材料因高比强度、高比模量和良好的抗分层性能而在航空航天领域极具应用前景，目前尚缺乏其高温力学性能与破坏行为的研究。针对2.5D机织Cf/Al复合材料，开展高温400℃下准静态拉伸力学响应与失效行为的数值模拟与实验研究。基于纱线内部组织和纱线的周期性分布特征，构建微观和细观尺度的代表性单胞模型，结合与温度相关的基体和界面性能参数，建立微观和细观尺度的有限元模型，分析高温环境下复合材料热应力分布以及拉伸载荷下的宏细观力学行为。高温环境下复合材料内部热应力分布不均，基体主要承受压应力作用而纱线则处于拉应力状态；高温拉伸模量、拉伸强度和伸长率的实验值分别为63.7 GPa、238 MPa和0.72%，高温拉伸曲线的数值模拟结果与实验结果基本一致，二者误差小于10%；高温拉伸过程中热应力导致的基体与界面损伤逐渐累积和扩展，拉伸前期出现明显的界面失效与脱粘现象，随着拉伸应变增加，复合材料先后发生纬纱的横向开裂和经纱的局部失效，拉伸后期严重的经纱轴向断裂导致复合材料失去承载能力而发生破坏。

关键词

铝基复合材料 / 2.5D织物 / 高模量碳纤维 / 高温力学性能 / 失效机制 / 数值模拟