C/C复合材料疲劳特性及强韧化机理研究

疲劳行为研究是C/C复合材料作为超高温热结构材料应用必须进行的关键内容。本项目拟结合实际应用环境，对不同类型和基体结构的C/C复合材料在不同加载条件下的室温和高温疲劳、热疲劳、热/机械疲劳行为进行深入研究，揭示其具有优异疲劳性能，尤其是随循环加载周期增加材料静强度不断提高的内在机制；揭示疲劳过程中纤维走向、基体织构、界面、缺陷及渗入的内涂层组分的演变规律；发现不同预制体编织方式、不同纤维体积分数、不同密度、不同加载方式和应力水平对疲劳特性的影响规律；复合或梯度抗氧化涂层结构对疲劳行为的影响规律；探明影响循环加载强韧化的主导因素；获得不同类型C/C复合材料室温和高温下的疲劳特性、热循环与应力循环交互作用下的疲劳特性。并借助模糊神经网络和遗传算法的自适应和整体优化功能，实现C/C复合材料疲劳性能的预测和优化。推进该材料在超高温结构件中实现工程应用，同时丰富脆性复合材料的疲劳理论。

疲劳性能研究是热结构C/C复合材料应用中所面临的关键科学问题。本项目围绕C/C复合材料的疲劳特性及强韧化机理开展了深入的研究工作。通过对单向、二维及三维增强C/C复合材料室温循环疲劳特性及强韧化机理的研究，获得了应力水平、加载周次、应力比等实验条件对疲劳剩余强度、破坏方式的影响规律及机理，揭示了C/C复合材料弹性模量、电阻、室温和高温热膨胀系数、热导率、热扩散率等性能在疲劳过程中的变化规律；以疲劳过程中的微观结构变化为依据，揭示了循环加载导致物理性能变化的内在机制；采用自主开发的热解碳织构控制方法，制备出具有特定织构的C/C复合材料，研究了以中织构和高织构热解碳为基体的C/C复合材料循环疲劳行为，阐明了不同基体织构下的损伤裂纹萌生及扩展行为；构造了多层复合抗氧化涂层体系，通过对带涂层C/C复合材料的热疲劳性能、室温及高温有氧环境下的循环疲劳性能研究，阐明了循环周期、应力比及加载频率对涂覆涂层C/C复合材料的高温疲劳剩余强度的影响规律，揭示了疲劳损伤与高温氧化综合作用下的材料性能演变行为，首次获得了高温氧化损伤与疲劳强化耦合作用对材料性能的影响规律；提出将动态疲劳试验引入C/C复合材料的疲劳性能研究，首次得到了2D C/C的应力腐蚀指数，揭示了加载速率对材料破坏方式的影响机理；通过对C/C复合材料激光热疲劳特征的深入研究，获得了循环次数、加热速度、温度等因素对激光热疲劳产生的裂纹尺寸的影响规律，揭示了激光热冲击和热疲劳导致材料产生损伤的机理，首次发现激光热疲劳使C/C复合材料面间距增大、表观微晶尺寸和石墨化度减小的规律；借助计算机模拟得出了激光热疲劳过程中的温度及应力分布，计算了C/C复合材料激光热冲击疲劳前后微观结构演变规律及损伤机制，从理论上指出了裂纹产生及扩展机理。.在该项目支持下，获授权国家发明专利4项，发表论文74篇，其中SCI收录49篇，EI收录61篇，培养青年教师2名，博士研究生10名，硕士研究生6名，邀请国外学者合作研究5人次，参加国际会议交流并宣读论文12人次，其中大会特邀报告1次，邀请报告2次。.该项目研究，有力推进了C/C复合材料在超高温结构件中实现工程应用，为高性能航空发动机和天地往返运输系统热端构件的设计提供理论依据，同时也发展和深化了脆性复合材料的疲劳理论。