Page 21 - 机械工程材料2024年第十一期
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龚 芹，等：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
速率下，纤维断裂占主导，随着应变速率的增加，纤 0°纤维局部扭转；当温度高于500 ℃时，材料发生明
维拉拔逐渐转变为主要失效模式 ［21，26，33-34］ ；相较于 显氧化，纤维与基体界面黏结力显著下降，使得弯曲
单向结构材料，织物结构材料的强度更高，破坏的程 强度和弯曲模量降低。强度的变化趋势与材料破坏
度也更小 ［26，35］ ；基体材料、加载方式、纤维取向和编 模式相似，CHEN等 ［38］ 和YANG等 ［42］ 认为在高温下，
织方法的不同均会造成不同的失效模式 ［21］ ，其中基 残余应力的释放与热解碳的石墨化使得界面强度弱
体的不同和加载方式的差异导致的失效模式差异更 化，从而导致材料整体强度下降。
为明显 ［21，26，36］ 。 高温还可能影响碳纤维复合材料的微观结构和
除了试验方法外，还可以采用微观力学方法进 孔隙率，从而影响其力学性能 ［43］ 。在23~170 ℃温
行模拟测试来分析材料的力学性能与失效行为，其 度范围内，T700碳纤维/环氧树脂复合材料的断裂
中材料的力学行为通过对材料微观结构的代表性体 机制随着温度的升高由界面脱黏转变为基体破坏。
积元进行数值分析来获得。由于复合材料的多轴加 树脂基纤维复合材料在高温条件下的孔隙率普遍高
载试验比较复杂，采用数值模拟方法是非常有用的。 于低温条件，因此其力学性能随着温度升高而降低。
1.3 温度效应 同时，由于纤维和基体的热膨胀程度不一致，二者的
大部分碳纤维复合材料具有良好的耐高温性 界面强度随着温度升高而降低 ［44-45］ ，也会导致力学
能，在1 000 ℃以上的温度条件下仍能保持结构的完 性能的下降。LI等 ［46］ 采用能量平衡法研究了碳/碳
整性。然而，树脂基碳纤维复合材料暴露在高温环 化硅陶瓷基复合材料在700，1 000 ℃下的比例极限
境中时，基体会分解，造成结构损坏，同时温度过高 应力，发现随温度升高，纤维/基体界面的剪切应力
也会导致碳纤维发生氧化分解 ［37］ 。碳纤维复合材料 增加，热残余应力减小，导致比例极限应力增大。
的力学性能强烈依赖于加载环境，温度的影响主要 温度的升高也会导致碳纤维复合材料氧化。
表现在以下几方面：碳纤维复合材料为多相材料，相 PANERAI等 ［47］ 对碳/碳酚醛复合材料在温度427~
界面较多，随着温度的变化，界面的黏结强度将受到 1 227 ℃下进行氧化烧蚀试验， 发现经O 2 氧化后纤维
影响；碳纤维复合材料的微观结构较为复杂，随着温 变薄，表面出现点蚀，氧化后质量损失明显；经CO 2
度的变化，各组分的热性能不匹配可能导致微观结 氧化后，纤维表面只出现点蚀，几乎不出现质量损失
构的变化；高温环境下，碳纤维及基体可能会发生氧 现象，温度超过927 ℃时，CO 2 与碳纤维发生了碳气
化，使得材料性能下降。因此，了解温度对碳纤维复 化反应。
合材料性能的影响对其在高温环境下的可靠使用至 ZHANG等 ［36］ 研究发现，二维碳/碳化硅复合
关重要。 材料的温度效应（室温至1 600 ℃）受环境影响显著：
由室温至 2 000 ℃的面内拉伸试验结果可知， 在氩气环境中，受热残余应力影响，材料的破坏角度
三维针刺碳/碳-碳化硅复合材料的韧性、破坏应 和抗压强度随着温度和应变速率的升高而增大；而
变均随着温度升高而增加，抗拉强度从98.7 MPa提 空气环境中，受氧化和热残余应力的共同作用，抗压
高到1 800 ℃时的162.6 MPa，在2 000 ℃时下降到 强度随着温度的升高略有上升，当温度超过700 ℃
154.3 MPa，拉伸过程伴随着大量纤维拔出 ［38］ 。此外， 时，抗压强度急剧下降。
三维增强碳/碳复合材料的抗压强度随温度升高先 碳纤维复合材料基体的模量、强度和韧性等力
［39］ ［48］
增加后减小，在2 027 ℃时达到最大，为250 MPa ， 学性能高度依赖于温度 ：随着温度的升高，基体
这是由于随着温度升高，纤维与基体的界面结合愈 由坚硬的玻璃态过渡到柔软的橡胶态，导致模量可
发紧密，使得强度提高，但当温度达到2 027 ℃以上 能降低几个数量级；当温度降低时，基体变得易碎，
时基体发生软化，导致强度下降。LI等 ［40］ 研究发现， 裂纹容易扩展。此外，基体材料的不同也会造成力
当温度低于600 ℃时，三维编织碳/碳复合材料的压 学性能的较大差异，碳/环氧树脂复合材料的弹性模
缩应力-应变曲线具有明显的线性弹性和脆性断裂 量和强度均随着温度的升高而降低 ［34,49］ ，而碳/碳
特征，当温度高于600 ℃时，则表现出明显的非线性 复合材料的强度和模量随着温度的升高先升高后降
和塑性破坏特征。碳/碳复合材料的弯曲性能随温 低 ［39-41］ 。SATO等 ［50］ 采用有限元分析法对单向碳纤
度变化也发生显著改变 ［41］ ：当温度低于500 ℃时，材 维增强塑料在横向拉伸下的温度依赖性进行数值模
料的损伤模式主要为基体开裂、90°纤维和基体脱黏、 拟，发现：温度会影响材料的初始损伤点，低温条件
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