芳纶纤维复合材料界面力学设计

　　复合材料在国外军用机、民用机上都有广泛的应用，例如EF2000中复合材料占40%，B787应用的复合材料甚至占到50%。可以说，复合材料是航空航天结构的未来，也是未来航空航天动力系统的关键材料，是航空航天武器装备先进性的标志之一。芳纶纤维作为先进的复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。

　　然而目前，芳纶复合纤维的研究还存在一些不足，如缺乏纤维/基体界面相的设计、缺乏有效的实验表征方法监测固化应力、缺少纤维束对基体裂纹的阻裂机理研究、缺少有效的实验表征、对三维编织复合材料疲劳性能的分析较少。

　　基于此，我们主要进行三方面的研究实验：1.纤维-基体梯度界面设计，纤维复合材料中，纤维与基体之间存在一个过渡区域，通常称为界面相，界面相可以设计成梯度分布来解决由于两种材料弹性常数、热力学常数失配引起的界面应力。提出一种弹性模量沿径向梯度分布的纤维/基体界面相，建立了不同梯度形式纤维/基体梯度界面相热力耦合Navier方程，并对界面相厚度进行了相关优化分析。

　　2.纤维复合材料界面固化变形实验与模拟，通过DGS方法试验测量了树脂在固化过程中的应力梯度演化，并分析了纤维束对固化应力的影响。

　　3.基体裂纹—纤维相互作用焦散线分析基于Esheby等效夹杂理论得到了纤维附近裂纹尖端应力场，推导了纤维附近裂纹焦散线控制方程，分析了纤维束弹性常数，纤维束粗细，纤维束到裂尖距离对焦散线的影响，通过静动态焦散线试验验证了理论推导结果。

　　总体来说，该研究是纤维复合材料中纤维-基体梯度界面相在热力耦合载荷作用下的损伤与疲劳等力学问题的理论求解与试验验证；纤维复合材料固化成型过程中树脂的浸润过程，纤维与树脂的相互作用以及织物复合材料固化应力与变形的试验表征；基体裂纹-纤维束在疲劳载荷作用下的相互作用，纤维对基体疲劳裂纹扩展的阻裂作用以及对疲劳寿命的影响。

　　（清华大学航空航天学院教授 姚学锋）