碳碳复合材料微细观结构的表征及对有效性能的影响研究-characterization of microstructure of carbon-carbon composites and its influence on effective properties.docx

Classified Index: TB332 U.D.C.: 531 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering INVESTIGATION ON CHARACTERIZATION OF MICRO AND MESO STRUCTURES AND THEIR INFLUENCE ON EFFECTIVE PROPERTIES OF CARBON/CARBON COMPOSITES Candidate： Kan Jin Supervisor： Prof. Meng Songhe Academic Degree Applied for： Doctor of Engineering Speciality： Engineering Mechanics Unit： Center for Composite Materials Date of Oral Examination： April, 25th, 2010 University： Harbin Institute of Technology 摘要 摘要 摘要 多向编织碳/碳复合材料作为重要的高温热结构材料在航空航天等领域得 到了广泛的应用。然而在多向编织碳/碳复合材料的制备、加工以及使用过程 中，不可避免地会产生微裂纹、孔洞以及界面脱层，这些微观结构特征对材料 的使用性能有着十分显著的影响。多向编织碳/碳复合材料内部的微观结构具 有非均匀性、随机性特征，直接导致了其力学性能也具有随机性分布，然而由 于长期以来难以获得材料内部原位、无损的微观结构特征，多向编织碳/碳复 合材料力学性能的随机性研究还处于初始阶段。因此，本文对多向编织碳/碳 复合材料内部微细观结构特征进行了观测和表征，以此为基础分析了碳/碳复 合材料的组分材料以及界面层的有效性能，并对碳/碳复合材料的有效性能进 行了分析，研究了微细观结构对有效性能的影响。主要研究内容如下： 多向编织碳/碳复合材料内部的基体和界面层为多相非均质材料，将孔洞 和脱层视为均匀介质内部的夹杂相，使用了多相非均质材料的等效夹杂理论， 推导出有效弹性性能计算公式，并使用了多孔介质的强度理论推导出强度计算 公式及其影响因素。纤维束为横观各向同性材料，使用了平均场近似和自洽近 似，对其有效弹性性能进行了分析，并使用了细观强度理论分析了纤维束的强 度及其分布，结果显示纤维束的强度满足正态分布。 对多向编织碳/碳复合材料的宏-细-微观结构特征进行了研究。首先研究了 多向编织碳/碳复合材料的周期性结构特征，根据其编织方式并结合体视显微 镜、偏光显微镜等观测分析将材料划分为周期性单胞以及子单胞，由于在观测 中发现材料的内部基体与纤维束之间存在明显的界面层，在子单胞中特别提出 界面层作为材料的重要组元。然后重点研究了多向编织碳/碳复合材料内部微 观结构，使用高分辨 Mirco-CT 观测系统对多向编织碳/碳复合材料的内部微观 结构进行了系统的观测分析，获取了无损、原位的内部微观结构信息，发现在 多向编织碳/碳复合材料内部，基体中存在大量的孔洞而界面层中存在大量的 脱层，其直径集中分布于 20 微米至 150 微米之间。此外还使用了压汞法对多 向编织碳/碳复合材料内部的孔隙进行了测试分析，结果显示材料内部的孔隙 尺寸分布与 Micro-CT 的观测结果一致。 研究了多向编织碳/碳复合材料的组分材料（基体和纤维束）的力学性能 及其分布。使用纳米压痕技术测试获得多向编织碳/碳复合材料中无孔碳基体 的弹性性能，获得其弹性模量。对基体内部的微观结构特征进行统计分析，发 现基体内部孔洞的孔径分布满足对数正态分布，在此基础上计算含有孔洞的基 I - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 体的有效弹性性能和强度，获得其均值以及离散度等数据。分析了多向编织碳 /碳复合材料中纤维束的有效弹性性能，并对纤维束的强度及其分布规律进行 了计算和分析。 对界面层的微观结构信息进行统计分析，发现界面上脱层的直径分布同样 满足对数正态分布，以此为基础对界面层的力学性能进行了计算分析。通过纤 维束顶出实验对界面层力学性能进行了测试，并与计算结果进行对比，发现实 验获得的剪切强度低于计算值。对纤维束顶出建立有限元模型，对顶出实验中 界面层的应力分布进行分析，解释纤维束顶出实验结果低于计算结果的原因。 建立多向编织碳/碳复合材料子单胞的有限元模型，将组分材料和界面层 的力学性能导入子单胞模型，作为组元性能的输入参数，分析子单胞的力学行 为，获得子单胞的有效弹性性能。将子单胞的有效弹性性能导入单胞模型，分 析了多向编织碳/碳复合材料的有效性能，并分析了组元特征对有效性能及其 离散程度的影响。结果显示，纤维束对材料