热和冲击加载下FRP层间力学响应的实验和理论研究

各种纤维增强复合材料（FRP）是航空航天领域的重要工程材料，在目前的大量工程应用中，尤其是在导弹FRP壳体的防护高能射线辐照引起的热-力破坏效应研究中，都需要对热和冲击加载下的FRP层间力学性能进行系统的实验和理论研究。因此本项目针对目前航空航天领域应用非常广泛的一种FRP- - 碳纤维2D织物增强环氧基复合材料（Carbon/Epoxy），通过试件设计和实验方法研究，以直接实验测试为主要手段，开展其层间拉伸和层间剪切性能的应变率及温度效应的实验研究，结合实验数据进行理论分析，建立理论描述模型，并基于实验揭示或证实层间界面性能及其微结构对Carbon/Epoxy层间力学性能产生的影响，目的是为导弹FRP壳体抗辐射加固优化研究提供实验方法、实验数据和描述模型，同时也深化对FRP各项力学性能的综合认识，为相关结构设计、性能计算与强度评估提供研究基础和支撑。

C/E材料是一种碳纤维增强环氧树脂基复合材料（carbon fiber reinforced epoxy plastic composite），常用于航天器或航天装备构件上。为了解C/E材料在高温及动态载荷下的层间变形与破坏特性，本项目对C/E复合材料的层间拉伸、剪切力学性能进行了实验及理论研究。首先，在国内外现有实验研究基础上，通过改进，设计了一种细腰型的层间拉伸试件和一种双剪型的层间剪切试件，分别利用MTS、Instron、SHPB、SHTB等加载设备以及配套的加温设备，对C/E复合材料的层间拉伸、剪切性能与温度、应变率的相关性进行了实验研究。在层间拉伸及剪切实验中的最高温度分别达到150 oC和300 oC，最高动态加载率分别达到应变率～140/s或剪应力变化率～1.0MPa/us。实验结果表明，C/E复合材料的层间拉伸强度较小，在10MPa量级，表现出微弱的温度软化及一定的应变率强化效应；C/E复合材料准静态层间剪切强度在常温下为20MPa左右，300 oC时该强度值下降到10MPa左右，温度软化效应较为显著，在剪应力率～1.0MPa/us的范围内，常温下层间剪切强度对加载速率不敏感。依据得到的实验结果及层间界面势本构模型，并从复合材料层间特性出发对该模型进行改进，导出了计及温度及应变率效应的C/E复合材料层间界面本构关系，用以描述C/E复合材料的层间拉伸及剪切性能，通过比较，其描述的结果与实验数据基本相符。本项目研究结果能够进一步说明FRP层间力学性能与温度及应变率的相关性，并指导有关的材料选用和构件设计。