正交三向纤维增强纳米孔树脂基复合材料的力学特性及失效预测

作者：李桐; 钱震; 陈紫轩; 李亮; 蔡宏祥; 曹宇; 张亚运; 牛波; 龙东辉^*

来源：复合材料学报, 2023, 1-16.

DOI：10.13801/j.cnki.fhclxb.20231117.002

• 热防护材料
• 正交三向纤维预制体
• 纳米孔树脂
• 力学性能
• 有限元分析
• 渐进损伤

针对飞行器的极端防隔热承载需求，以正交三向石英纤维预制体为增强体、高强度纳米孔酚醛树脂为基体，制备出正交三向纤维增强纳米孔树脂基复合材料(3DIPC)。所制备的3DIPC具有中等密度(～1.46 g·cm-3)、较低的室温热导率(<0.30 W·(m·K)-1)和线烧蚀率(～0.15 mm·s-1)以及优异的力学性能(拉伸强度 >400 MPa，压缩强度 >390 MPa，弯曲强度 >300 MPa，层间剪切强度 >30 MPa)。通过调整不同方向纱线的细度，系统地研究了纤维预制体细观结构改变对3DIPC力学性能的影响。结果表明，增大Z纱的细度可以提高3DIPC的压缩模量和层间剪切强度，但会导致其拉伸性能与压缩强度的降低；增大经纱的细度可以提高材料经向的拉伸与弯曲性能，但纬向的拉伸与弯曲性能呈降低趋势。最后，基于3DIPC的实际形貌建立了包含表面与内部结构的细观有限元模型，并结合复合材料的渐进损伤模型，采用ABAQUS有限元软件模拟了3DIPC的拉伸失效行为。结果表明，3DIPC的损伤始于纱线中的基体处，并随应变的增加扩展至纯基体与纤维。3DIPC的经纬向拉伸失效分别是由经向和纬向纤维断裂主导的，且表面Z纱和表面纬纱的纤维断裂是造成3DIPC在纬向拉伸前期损伤的主要原因。

• 单位
  北京星航机电装备有限公司; 华东理工大学