应变率对细编织孔洞碳/碳（C/C）复合材料平面剪切性能和失效机制的影响

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Strain-rate effects on in-plane shear behavior and failure mechanisms of fine weave pierced C/C composites

细织穿碳/碳（FWP-C/C）复合材料平面剪切动态行为及双损伤本构模型研究。设计并验证平顶帽剪切试样，应变率0.001-1000/s实验表明剪切强度与初始模量显著提升，损伤机制分矩阵主导期和纤维主导期，高速抑制裂纹扩展，纤维保持性增强，建立应变率相关双损伤模型验证有效。

　　

郭飞|姜浩铮|郑云宁|李欣|王萌|陈龙苗

南京理工大学机械工程学院，中国南京210094

摘要

细织穿刺碳/碳（FWP-C/C）复合材料在航空航天热结构中得到广泛应用，其中动态面内剪切破坏是一种关键的失效模式。本研究系统地研究了FWP-C/C复合材料的应变率依赖性面内剪切行为和失效机制。设计了一种平帽形剪切试样，并通过有限元模拟进行了验证，实验应变率范围为0.001/s至1000/s。结果表明，材料的剪切强度和初始模量从0.001/s时的43.52 MPa和287.44 MPa分别增加到1000/s时的59.36 MPa和326.39 MPa。损伤过程从以基体为主逐渐转变为以纤维为主，且在较高应变率下两者逐渐趋同。断口分析揭示了一种应变率依赖的裂纹扩展抑制机制：较高的应变率限制了基体裂纹的生长时间，从而减少了纤维-基体界面的脱粘程度，保持了纤维束的完整性，促进了两种损伤阶段的趋同，并提高了剪切模量和强度。最后，开发了一个基于实验数据的应变率依赖的双损伤本构模型。在实验测试和验证的0.001/s至1000/s应变率范围内，该模型能够准确预测FWP-C/C复合材料的面内剪切响应。本研究加深了对FWP-C/C复合材料在面内剪切载荷下动态行为和失效机制的理解，有助于类似载荷环境下轻量化、高性能航空航天FWP-C/C复合结构的设计。

引言

碳/碳（C/C）复合材料具有高强度、高模量、低密度和优异的高温机械性能[1]，因此被认为是航空航天热结构的理想材料[1][2]。特别是细织穿刺C/C（FWP-C/C）复合材料[3][4]，由于其低成本和优异的层间性能，在复杂载荷条件下的航空航天热结构部件中具有巨大潜力。因此，研究FWP-C/C复合材料的力学性能对于设计轻量化、高性能的航空航天热结构至关重要。

高速飞行器结构（如再入飞行器、火箭和导弹）通常在恶劣环境中运行，这些环境特征包括严重的振动、冲击和声学载荷[5][6][7]。因此，它们的C/C复合材料热结构容易发生动态失效。为了准确预测其动态响应和失效，获取应变率依赖的力学行为并阐明C/C复合材料的动态失效机制是必要的。大多数现有研究集中在C/C复合材料的动态压缩行为上。Shen等人[8]开发了一个基于微裂纹的模型来阐明动态压缩失效机制，发现高应变率下的断裂是由多条微裂纹路径的激活引起的，这与准静态载荷下的主裂纹生长不同。Li等人[9]研究了针刺C/C复合材料的动态压缩行为，发现其压缩强度和初始模量随应变率的增加而显著提高，在较高应变率下表现出更严重的损伤和明显的剪切主导失效模式。Jin等人[10]进一步研究了不同温度下针刺C/C复合材料的压缩性能与应变率的关系，并建立了无量纲压缩强度与应变率之间的双线性关系。

此外，还有一些研究关注了应变率对C/C复合材料断裂韧性、拉伸和剪切性能的影响。Hoover等人[11]使用夏比冲击试验方法评估了C/C复合材料的动态断裂韧性。Gong等人[12]研究了高温下3D编织C/C复合材料的准静态和动态拉伸行为，发现动态载荷下的拉伸强度高于准静态载荷，显示出明显的正应变率效应。Ishiguro等人[13]使用双缺口试样测量了不同应变率下UD C/C复合材料的剪切强度，发现剪切强度随应变率的增加而略有提高。在我们之前的研究[14]中，使用新设计的剪切装置和圆柱形试样研究了针刺C/C复合材料的动态剪切行为。准静态载荷下的剪切应力-应变曲线表现出伪塑性行为，而动态载荷下则发生脆性断裂。此外，还有多项研究通过有限元（FE）模拟研究了3D C/C复合材料[15]和C/C复合结构[5]在冲击载荷下的动态响应和失效。

迄今为止，尽管FWP-C/C复合材料的动态性能对于准确预测高性能航空航天热结构的动态响应和失效至关重要，但相关研究仍然有限。在我们之前的研究[3][4]中，系统地研究了FWP-C/C复合材料在0.0001/s至1000/s应变率范围内的面内和面外压缩性能。结果表明，这两个方向上的压缩强度和模量都随应变率的增加而提高，这归因于复合材料内部裂纹的应变率依赖性扩展。此外，还使用新设计的双剪切试样研究了FWP-C/C复合材料的动态层间剪切行为[16]。结果表明，层间剪切失效主要由穿刺的纤维束控制，在高应变率下从拉伸失效转变为剪切断裂。层间剪切强度随应变率的增加而提高，而初始层间剪切模量基本保持不变。FWP-C/C复合材料的动态面内剪切失效是高性能航空航天热结构在复杂动态服役环境下的主要失效模式之一。因此，研究FWP-C/C复合材料的动态面内剪切性能对于准确预测其动态面内剪切响应和失效至关重要。然而，目前尚未有研究报道FWP-C/C复合材料的动态面内剪切性能。

本研究系统地研究了应变率对FWP-C/C复合材料面内剪切性能和失效机制的影响。设计了一种平帽形面内剪切试样，并通过有限元模拟进行了验证，实验应变率范围为0.001/s至1000/s。通过对断裂表面的分析，阐明了复合材料的应变率依赖性面内剪切失效机制。此外，还基于观察到的失效机制和实验应力-应变数据开发了一个应变率依赖的本构模型。

材料与试样

FWP-C/C复合材料和面内剪切试样由天海高科技有限公司（北京，中国）制造，制备过程如图1所示。T700聚丙烯腈基碳纤维（Toray，日本）用于制备FWP-C/C复合材料的碳纤维预成型体。预成型体的编织过程如图1(a)所示。采用正交平织法制备碳纤维织物，每层织物的厚度约为

面内剪切失效机制

准静态面内剪切应力-应变曲线及相应的失效过程如图5所示。FWP-C/C复合材料的渐进式面内剪切失效过程包括两个阶段：以基体为主的损伤阶段和以纤维为主的损伤阶段，如图5(a)所示。从以基体为主的损伤阶段到以纤维为主的损伤阶段的过渡是逐渐发生的，没有明显的边界。如图5(c)中的红色虚线框所示，许多

结论

本研究探讨了应变率对FWP-C/C复合材料面内剪切性能和失效机制的影响。设计了一种平帽形面内剪切试样来测量复合材料的面内剪切性能。有限元模拟表明，剪切应力主要集中在剪切区域内并几乎均匀分布，验证了试样设计的有效性。面内剪切实验在

CRediT作者贡献声明

郭飞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，资金获取，概念构思。姜浩铮：撰写 – 原稿，可视化，软件，研究。郑云宁：撰写 – 审稿与编辑，验证，数据管理。李欣：撰写 – 审稿与编辑，方法论，资金获取。王萌：验证，软件。陈龙苗：验证，监督，方法论，资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号12302473, 12422215）和中央高校基本科研业务费（项目编号30923011020, 309231A8802）的支持。