Page 18 - 机械工程材料2024年第十一期

2024 年 11 月 第 48 卷 第 11 期 Vol. 48 No. 11 Nov. 2024

DOI：10. 11973/jxgccl230388

高温下碳纤维复合材料动态力学性能及

相关失效准则的研究进展

龚 芹，黄西成，陈军红，段裕熙

（中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳 621999）
摘 要： 研究碳纤维复合材料的动态力学行为及其失效准则对于理解其性能至关重要，可以更好
地预测材料在极端条件下的表现，从而提高其在实际应用中的可靠性和安全性。从力学行为特性和
失效准则着手，归纳和总结了碳纤维复合材料在高温下的动态力学性能，指出应变速率和温度对材
料动态力学行为的影响是当前研究的重点与难点。总结了现有的复合材料失效准则，并讨论了这些
准则的适用性差异。指出温度和应变速率耦合环境下的力学行为研究、相关失效准则建立和基于多
尺度分析方法数值模拟是今后研究的重点。
关键词： 碳纤维复合材料；温度；应变速率；动态力学性能；失效准则
中图分类号：TB332 文献标志码：A 文章编号：1000-3738（2024）11-0010-13

0 引 言 和区分模式的准则等3类。极限准则常用于简单的
材料和加载条件，交互准则适用于复杂应力状态下
碳纤维复合材料是由碳纤维及其织物为增强体，
金属、树脂、陶瓷等为基体组成的新型复合材料 ［1-2］ ， 的材料，区分模式的准则特别适用于复合材料和多
相材料。然而，目前关于温度和应变速率耦合环境
被广泛用于航空航天、汽车、医疗等领域 ［3-5］ ，因性能
下的失效准则研究仍显不足。研究碳纤维复合材料
良好而常用作关键部件材料 ［6-10］ 。碳纤维复合材料
在高温和高应变速率条件下的复杂力学行为，以提
在使用过程中面临的主要问题是容易受到短时间内
高其性能，能够避免因外部载荷的耦合作用导致的
施加的快速载荷和高温的影响而损坏。例如：航天
结构损伤，从而保障整体结构的安全性。为了给相
−1
飞行器再入大气层时的速度高达8 000 m · s ，外源
关研究人员提供参考，作者从材料的动态力学特性
温度高达1 600 ℃，其中的结构件还将承受拉、压、剪
和率-温相关的准则出发，综述了碳纤维复合材料在
切等各种复杂应力，在高温与高速冲击中外层碳纤
维复合材料不可避免地会产生损伤而强度下降；此 高温下的动态力学性能和相关失效准则的研究进展。
外，碳纤维复合材料固有的多相结构也导致变形和 1 碳纤维复合材料的力学特性
破坏的相互作用比单相材料更为复杂，如纤维/基体
1.1 拉压不对称性
界面的损伤，这也使得其在服役过程中成为最薄弱
碳纤维复合材料具有明显的拉压不对称特性。
的部分，决定着整体结构的稳定性与安全性。目前，
ZHU等 ［15］ 对碳纤维增强玻璃复合材料进行面内拉
碳纤维复合材料在高速撞击下的力学和热学相关研
究已成为热点，吸引了众多学者关注，开展了试验 伸与压缩力学性能测试时，在准静态与高应变速率
分析 ［11-12］ 、数值仿真 ［13］ 、理论预测 ［14］ 等方面的研究。 加载下均观察到拉压不对称特性，但随着应变速率
材料在高应变速率下的强度和刚度通常会增加，表 的增加，不对称性会降低。YOON等 ［16］ 对碳纤维增
现出比静态条件下更高的屈服强度和断裂韧性，且 强碳化硅复合材料在不同温度下进行拉伸和压缩试
材料的变形和破坏行为也会发生改变。在理论研究 验，发现：在室温以及500，900 ℃时，该复合材料的
方面，材料的失效准则主要分为极限准则、交互准则 抗拉强度为20~35 MPa，抗压强度为180~230 MPa；
在相同温度条件下，抗压强度远高于抗拉强度，甚至
收稿日期：2023-08-17；修订日期：2024-09-19
相差近一个数量级，符合碳纤维材料脆性摩擦的特
基金项目：国家自然科学基金资助项目（12172344）
性；压缩和拉伸的应力流动水平也不同，压缩初始阶
作者简介： 龚芹（1993—），男，四川南充人，博士研究生
导师：黄西成研究员 段表现为线性行为，初始阶段后则呈非线性，而拉伸
10