三维随机纤维材料高温力学性能与破坏机理

The three-dimensional (3D) random fibrous (RF) materials with network structures sintered by inorganic fibers are notable for high porosity, low weight, high specific surface area and excellent insulation performance and so on. They are used as the outer structure materials of rigid thermal insulation titles in the thermal protection system (TPS) of the hypersonic aircraft, and balance dual-functions of the heat insulation and load bearing. It is very important to investigate the mechanical properties and failure mechanisms of these kinds of materials under the mechanical-thermal coupled service condition as it’s helpful to improve the safe service performance and structural life of the TPS. In this project, firstly, we study the tensile and compressive properties, fracture toughness of 3D RF materials with high porosities in the TTT (Through-the-thickness) and IP (In-plane) directions. Then, a 3D finite element model of 3D RF materials is developed with mesoscopic morphology characteristics and the viscous deformation concerned. It can be used to search after how the macro-mechanical properties related with the temperature, 3D RF materials physical parameters (porosity and density), geometric parameters (fiber direction, fiber distribution and fiber contact) and so on. Therefore, it is possible to uncover the mechanical properties, laws of the microstructure evolution and failure mechanisms of 3D RF materials in both the TTT and IP directions at elevated temperatures. At last, we set up a kind of failure criteria for 3D RF materials at elevated temperatures, which can be applied as the theoretical basis for the material preparation and performance evaluation of 3D RF materials.

由无机纤维烧结而成的网状结构三维随机纤维材料，具有孔隙率高、重量低、高比表面和优良的隔热性能等优点，用作高超声速飞行器刚性隔热瓦热防护系统的外层结构材料，兼顾隔热与承载双重功能。研究其力热耦合服役环境下的力学性能与破坏机理，对于提高热防护系统安全服役性能和结构寿命有重要意义。本项目针对高孔隙率三维随机纤维材料，研究其面内和厚度两个方向的高温拉伸、压缩和断裂韧性等力学性能，发展考虑三维随机纤维材料细观形貌特点和高温下材料粘性流动变形的三维有限元模型，探求力热耦合作用下三维随机纤维材料宏观力学性能与温度、材料物理参数（孔隙率、密度）和几何参数（纤维方向、纤维分布和纤维间接触）等因素的关系，揭示三维随机纤维材料厚度和面内方向高温力学性能、细观结构演化规律和破坏机理，建立三维随机纤维材料高温破坏准则，为三维随机纤维材料制备和性能评估提供理论基础。

三维随机纤维材料作为高超声速飞行器刚性隔热瓦热防护系统的外层结构材料，兼顾隔热与承载双重功能。研究其力热耦合服役环境下的力学性能与破坏机理，对于提高热防护系统服役性能有重要意义。本项目利用改进的霍普金森压杆系统，研究了三维随机纤维材料在288K-1273K温度范围内厚度与面内方向应变率为600/s时的动态压缩性能和在288K-1423K温度范围内应变率为500/s和1300/s时的动态力学性能，同时评估了其在高应变率下的失效模式、温度效应和应变率效应。结果表明：在1073K以下，面内方向呈现剪切破坏模式；在1273K时，呈现多主裂纹扩展模式；从288K到1273K，厚度方向呈现层状破坏模式。应变率为500/s时，面内方向沿30°断裂；当应变率从0.0006/s增加为500/s时，压缩强度呈线性增加趋势。在288K、773K和1273K下，压缩强度应变率敏感性高于1073K时。其次，基于高温试验获得的拉伸强度和等效正交网状结构平均纤维间隙，发展了评估三维随机纤维材料断裂韧性的理论模型，该模型成功地预测了三维随机纤维材料在299K-1073K温度范围内的断裂韧性。然后，测试了三维随机纤维材料高温拉压与断裂韧性性能，分析了孔隙率分别为83%、87%和89%时面内与厚度方向的拉压性能、弹性模量、断裂韧性和断裂表面能随温度和孔隙率变化规律。研究发现：厚度方向拉伸强度和弹性模量比面内方向对孔隙率更敏感；断裂韧性在低于临界温度时随温度增加而上升，超过临界温度后随温度增加而降低。当温度低于1073K时，83%、87%和89%孔隙率下厚度方向与温度相关的断裂表面能表现出相同变化趋势，而面内方向断裂表面能在299K-1273K温度范围内变化趋势一致。另外，建立三维随机纤维材料微结构模型，研究三维随机纤维材料宏观力学性能与几何参数（纤维方向、纤维长度和纤维直径）的关系，获得了其宏观力学性能演化规律。最后，通过高温试验与有限元建模的方法，研究了299K-1273K温度范围内三维随机纤维材料厚度方向与温度相关的断裂韧性JC，揭示了三维随机纤维材料在不同温度下的变形机理。本项目研究成果为三维随机纤维材料制备和性能评估提供理论基础。