cc复合材料

cc复合材料
CC复合材料。

CC复合材料是一种由两种或两种以上不同性质的材料组合而成的新型材料，
具有优异的综合性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程等领域。

它的出现不仅提高了产品的性能和质量，还大大降低了生产成本，具有广阔的发展前景。

首先，CC复合材料具有优异的机械性能。

相比于传统材料，CC复合材料的强
度和刚度更高，同时具有较低的密度，因此在航空航天领域得到了广泛应用。

它不仅可以减轻飞机、火箭等载具的重量，还能够提高其飞行速度和燃油效率，降低运行成本，为航空航天事业的发展做出了重要贡献。

其次，CC复合材料具有优异的耐腐蚀性能。

在海洋工程、化工设备等领域，
材料常常需要长期暴露在潮湿、腐蚀性环境中，传统材料容易受到腐蚀而失效，而CC复合材料能够很好地抵抗腐蚀，保持稳定的性能，因此在这些领域有着广泛的
应用前景。

另外，CC复合材料还具有优异的导热性能和电磁性能。

在电子产品、通信设
备等领域，要求材料具有良好的导热和屏蔽性能，以保证设备的正常运行和通信质量，而CC复合材料能够满足这些要求，因此在这些领域也有着广泛的应用。

总的来说，CC复合材料具有优异的综合性能，被广泛应用于各个领域，为相
关行业的发展带来了巨大的推动力。

随着科技的不断进步和材料工艺的不断改进，相信CC复合材料的应用领域会越来越广，性能会越来越优越，为人类创造出更多
的奇迹。

第30卷第11期2011年11月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.30No.11Nov.2011特约专栏收稿日期:2011－09－24通信作者:崔红，女，1969年生，研究员，博士生导师掺杂改性C /C 复合材料研究进展崔红，闫联生，刘勇琼，张强，孟祥利(西安航天复合材料研究所，陕西西安710025)摘要:陶瓷掺杂改性碳/碳(C /C )复合材料在保持C /C 复合材料原有优异高温力学性能及尺寸稳定性等特性的前提下，显著提高了C /C 复合材料的高温抗氧化、抗烧蚀性能，且其具有可设计性和良好的抗热震性能等优势，是新型高超声速飞行器和新一代高性能发动机热防护部件的理想候选材料。

综述了国内外在SiC 陶瓷掺杂改性C /C 复合材料，ZrC ，ZrB 2超高温陶瓷掺杂改性C /C 复合材料以及TaC ，HfC 超高温陶瓷掺杂改性C /C 复合材料等方面的最新研究进展和应用情况，并分析了陶瓷掺杂改性C /C 复合材料目前研究及应用中存在的主要问题和今后潜在的研究发展方向。

关键词:高温材料;C /C 复合材料;掺杂改性;抗氧化中图分类号:TB333文献标识码:A 文章编号:1674－3962(2011)11－0013－05Advances on Ceramic Hybird ModifiedCarbon /Carbon CompositesCUI Hong ，YAN Liansheng ，LIU Yongqiong ，ZHANG Qiang ，MENG Xiangli(Xi'an Aerospace Composite Material Institute ，Xi'an 710025，China )Abstract :Being the ideal candidate material for thermal protection parts in supersonic flight and the high performancerocket engine ，carbon /carbon composites modified by ceramic hybrid have good oxidation and ablation resistance ，design-ability ，good thermal shock resistance as well as the inherent unique comprehensive properties ，such as excellent mechani-cal properties and dimensional stability at high temperature．The present status of research and application of carbon /car-bon composites modified by the SiC ceramics and ZrC ，ZrB 2，TaC ，HfC ultrahigh temperature ceramics were summarized．The existing problems and the potential development direction on the investigation of the ceramic hybrid modification C /C composites were also proposed．Key words :high temperature materials ;carbon /carbon composites ;hybird modification ;anti-oxidation1前言碳/碳(C /C )复合材料即碳纤维增强碳基体复合材料，是一种特别具有性能可设计性和抗热震性的先进复合材料，它以优异抗烧蚀性能、高比强度、高比模量、及高温下极好的力学性能和尺寸稳定性等一系列突出的特点，特别适合于需要材料具有较高物理性能和化学稳定性的高温环境下使用，已成功地在航空航天领域得到广泛应用，如航天器鼻锥、机翼前缘、固体火箭发动机(SRM )喉衬及扩张段和飞机刹车片等，C /C 复合材料是应航空航天领域的需要而开发的最成功的材料之一［1－2］。

第５０卷第４期２０２０年７月东南大学学报（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．５０Ｎｏ．４Ｊｕｌｙ２０２０ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０２０．０４．００７２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料损伤演化试验研究何顶顶　吴邵庆（东南大学土木工程学院，南京２１１１８９）（东南大学江苏省工程力学分析重点实验室，南京２１１１８９）摘要：为研究２．５ＤＣ／Ｃ（碳／碳）编织复合材料的失效机理，对矩形截面试样开展损伤演化模拟试验．针对轴向加卸载过程中的应变响应，使用弹性模量法逐级计算试样损伤值，研究其损伤演化过程和规律；结合试样断口分析，总结不同失效模式对应的损伤效应．试验结果表明：２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料的失效位置具有分散性，失效模式具有多样性特征；分层破坏时损伤累积较小，损伤值达到１０％～１３％时试样即发生破坏，且裂纹只在层间扩展；纤维拔出和断裂时损伤累积效应较明显，在试样断口附近正反两面损伤演化过程均较显著，损伤值达到２０％～２５％时试样破坏．关键词：２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料；加卸载试验；损伤演化；失效模式中图分类号：ＴＢ３３２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－０５０５（２０２０）０４ ０６４５ ０６Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆ２．５ＤＣ／ＣｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓＨｅＤｉｎｇｄｉｎｇ　ＷｕＳｈａｏｑｉｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１８９，Ｃｈｉｎａ）（ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１８９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆ２．５ＤＣ／Ｃ（ｃａｒｂｏｎ／ｃａｒｂｏｎ）ｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｔｈｅｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｏｎｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎａｌｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．Ｂｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｅｓｔｒａｉｎｒｅｓｐｏｎｓｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｌｏａｄｉｎｇａｎｄｕｎｌｏａｄｉｎｇｃｙｃｌｅｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｄａｍ ａｇｅｖａｌｕｅｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｏｓｔ ｂｒｅａｋｓａｍｐｌｅ，ｔｈｅｄａｍａｇｅｅｆｆｅｃｔｓｉｎｄｉｆｆｅｒ ｅｎｔｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄａｍａｇｅｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｏｆ２．５ＤＣ／Ｃｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓｒａｎｄｏｍｗｈｉｌｅｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎｆａｉｌｕｒｅａｐ ｐｅａｒｓｗｉｔｈａｌｏｗ ｌｅｖｅｌｄａｍａｇｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ（ａｂｏｕｔ１０％ｔｏ１３％）ａｎｄｔｈｅｃｒａｃｋｏｎｌｙｅｘｔｅｎｄｓｂｅ ｔｗｅｅｎｌａｙｅｒｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｆｉｂｅｒｐｕｌｌ ｏｕｔａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｄｅ，ｔｈｅｄａｍａｇｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｎｅａｒｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｎｂｏｔｈｆｒｏｎｔａｎｄｂａｃｋｓｉｄｅｓｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎ．Ｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｉｓｄｅｓｔｒｏｙｅｄｗｈｅｎｔｈｅｄａｍａｇｅｖａｌｕｅｒｅａｃｈｅｓｕｐｔｏ２０％ｔｏ２５％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：２．５ＤＣ／Ｃ（ｃａｒｂｏｎ／ｃａｒｂｏｎ）ｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｌｏａｄｉｎｇａｎｄｕｎｌｏａｄｉｎｇｔｅｓｔ；ｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ；ｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅ收稿日期：２０１９ １２ ２５．　作者简介：何顶顶（１９８４—），男，博士，工程师；吴邵庆（联系人），男，博士，副教授，ｃｅｓｑｗｕ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．基金项目：江苏省优秀青年基金资助项目（ＢＫ２０１８００６２）、江苏省“六大人才高峰”高层次人才资助项目（ＫＴＨＹ ００５）．引用本文：何顶顶，吴邵庆．２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料损伤演化试验研究［Ｊ］．东南大学学报（自然科学版），２０２０，５０（４）：６４５６５０．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０２０．０４．００７． Ｃ／Ｃ编织复合材料具有密度小、比模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好、摩擦性好等一系列优异性能，按照纤维预编方式可分为２Ｄ、３Ｄ以及最新发展的２．５Ｄ编织复合材料［１３］．相比２Ｄ编织复合材料，２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料在厚度方向上采用机织或编织的方式将纤维束按一定的角度交织成型，获得了更好的层间性能；同时相较于３Ｄ编织复合材料工艺ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ简单，制造成本更低，有非常好的应用前景［４］．虽然编织复合材料的发展十分迅速，但是因为其自身细观结构的不均匀性、复杂性和初始缺陷的大量存在，在外载荷作用下的损伤演化和失效机理近年来被研究者们重点关注，成为复合材料结构安全评估的核心问题．对Ｃ／Ｃ编织复合材料的损伤研究目前主要集中在数值分析与试验研究２个方面．在数值分析方面，梁军等［５］通过细观力学方法得到脆性编织复合材料损伤过程中细观本构方程；还有一些学者通过研究周期性单胞［６７］和灵敏度［８］来获得复合材料的常／高温下宏观结构的力学性能；Ａｕｂａｒｄ等［９］以三维四向Ｃ／Ｃ编织复合材料为对象建立数值模型，假设脱黏现象只发生在纤维束／基体界面上，给出当试样尺寸小于２０ｍｍ时，材料的纤维束／基体界面会出现损伤断裂现象．在试验研究方面，Ｂｏｉｔｉｅｒ等［１０］针对２．５ＤＣ／ＳｉＣ编织复合材料进行了拉伸蠕变试验，通过高分辨率扫描电镜观察了材料的微观结构并分析了损伤演化过程；韩红梅等［１１］研究了三维Ｃ／Ｃ编织复合材料的拉伸性能及损伤扩展过程，认为Ｃ／Ｃ编织复合材料拉伸破坏属于典型的脆性断裂，并给出了几种典型的破坏模式．现有的研究成果均没有对损伤演化过程进行监测和量化分析，同时缺乏依据试验数据开展的不同失效模式下的损伤效应的定量分析．本文针对２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料开展了准静态拉伸加卸载试验，通过电阻应变片监测了试样在加卸载过程中应变响应，基于弹性模量法逐级计算损伤值，从宏观尺度研究标准复合材料试验件的损伤演化过程，并对试样破坏断口开展分析，判断其失效模式，分析失效机理，总结了不同失效模式下的损伤效应，为该类复合材料结构的安全评估方法提供依据．１　试验方案试验中使用Ｉｎｓｔｒｏｎ３３６７电子万能材料试验机加载，用ＤＨ３８１６Ｎ静态应力应变测试分析系统记录应变响应数据．试验对象为２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料，依据ＡＳＴＭＣ１２７５标准试验方法，选择矩形截面试样；依据弹性模量法设计循环加卸载试验方案，以较低应力水平下第一次加卸载时的卸载弹性模量作为参考，后续每一级加卸载依次作为损伤加载过程，得到对应的损伤弹性模量，再依次计算试样的每一级损伤值，以此来分析加载过程中试样的损伤演化过程．１．１　基于应变等效性假设的弹性模量法Ｌｅｍａｉｔｒｅ［１２］提出的应变等效性假设认为，应力作用于受损材料所引起的变形等效于作用在一个虚拟的无损材料上的变形．在一维问题中，该原理可表示为Ｘ＝珓ｅ珘Ｅ＝ｅＥ（１）式中，Ｘ为变形量（应变）；珓ｅ＝Ｆ／珘Ａ为力Ｆ作用在有效横截面积珘Ａ上的有效应力［１３］；ｅ＝Ｆ／Ａ为横截面积Ａ上的名义应力；珘Ｅ为受损材料的弹性模量；Ｅ为无损伤材料的弹性模量．根据Ｒａｂｏｔｎｏｖ损伤值Ｄ的定义［１４］，有效应力珓ｅ和名义应力ｅ满足关系：ｅ＝珓ｅ１－Ｄ（２）由式（１）、（２）得Ｄ＝１－珘ＥＥ（３）将计算得到的各级加卸载过程中的卸载弹性模量作为试样损伤弹性模量，然后计算得到对应Ｒａｂｏｔｎｏｖ损伤值Ｄ，用以量化试样的损伤程度．本文据此设计试验方案，开展２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料的损伤演化过程研究．１．２　试验方案设计为有效监测试样的损伤演化效应，设计试样为为长条状，其截面为矩形，通过在测试区域内沿轴向均匀布置应变测点，测试轴向循环加卸载试验过程中的应变响应；以卸载弹性模量计算得到试样损伤值，揭示其损伤演化过程．１．２．１　试样几何尺寸及应变测点试样轴向沿编织复合材料经向纤维方向加工制作，总长３２８ｍｍ；矩形截面宽１５．８０ｍｍ，厚３．１２ｍｍ．因无法准确预估试样损伤萌生位置，故在试样２０８ｍｍ长测试段内等间距沿轴向粘贴应变片，依次编号１＃～４＃和６＃～８＃，在编号５＃处沿横向粘贴应变片，如图１所示．利用在试样表面均匀涂抹环氧胶的方式保证表面平整度，以方便粘贴应变片．为保证夹持部分受力均匀，避免加载过程中试样在夹持段发生破坏，使用２ｍｍ厚铝合金片加强夹持段，试样实物如图２所示．图１　试样几何尺寸（单位：ｍｍ）６４６东南大学学报（自然科学版） 第５０卷ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ图２　试样实物１．２．２　加卸载方案试验试样数为１０个（Ｓ １～Ｓ １０），其中对Ｓ １、Ｓ ２试样进行轴向拉伸强度试验，获得该批次试样的最大破坏载荷和变形量，用于设计加卸载过程．图３（ａ）中给出了Ｓ １试样轴向拉伸载荷位移曲线；对Ｓ ３～Ｓ ８试样开展加卸载试验，获得整体载荷位移曲线和各测点应力应变曲线．对于试验加载速率，ＡＳＴＭＣ１２７５ １８标准中建议应变控制加载速率 ε为５×１０－５～５×１０－４ｓ－１之间，在线弹性阶段可用下式近似换算为位移加载速率 δ：δ＝ｄδｄｔ≈１ｋｍ＋１ｋ()ｓεＥＡ（４）式中，ｔ为时间；ｋｍ和ｋｓ分别为加载试验机和试样（ａ）Ｓ １试样轴向拉伸载荷位移曲线（ｂ）Ｓ ４试样加卸载载荷位移曲线（ｃ）Ｓ ４试样加卸载应力应变曲线图３　２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料力学性能及损伤表征试验结果的刚度；ｋｓ＝ＡＥ／Ｌ，Ｌ为测试段长度．对于本试验 δ约为０．６～６ｍｍ／ｍｉｎ，综合考虑非线性因素及环境因素的影响，取推荐加载速度的下限并减半，即位移加卸载速率为０．３ｍｍ／ｍｉｎ．试件轴向拉伸试验结果显示，Ｓ １和Ｓ ２试样破坏时最大载荷分别为２．２６和２．１７ｋＮ，对应变形量分别为０．４２和０．３５ｍｍ．参照该试验结果，采用位移控制的方式实现加卸载试验过程，即在位移加载量分别达到０．１０、０．１５、０．２０、０．２５、０．３０ｍｍ时，控制试验机卸载，位移卸载量均为０．０５ｍｍ；每次位移卸载结束后，重新进入加载过程，直至下一个位移卸载点；重复上述加卸载过程，直至试样破坏结束试验．图３（ｂ）中给出了Ｓ ４试样的加卸载载荷位移曲线，由图可见，每次卸载、加载曲线基本重合，且呈线性变化趋势；而不同加卸载曲线之间斜率不一致，反映了累积损伤效应．此外，如不考虑重复加卸载过程，Ｓ ４与Ｓ １试样载荷位移曲线均是一条大曲率半径的曲线，在载荷较小的情况下也不存在线弹性阶段，表现了编织复合材料的脆性特性．２　试验结果分析根据试验测得的各个试样不同测点的应力应变曲线（见图３（ｃ））计算卸载弹性模量，进而得到各试样既定位置处的损伤值．选择其中具有代表性的Ｓ ３、Ｓ ４和Ｓ ８试样，分析其损伤演化规律，再结合试样宏观断口分析判断其失效模式，得到不同失效模式下的损伤效应．２．１　损伤演化过程根据弹性模量法，得到Ｓ ３、Ｓ ４和Ｓ ８试样正反面各测点在每个卸载点的损伤值，损伤值Ｄ相对于卸载次数的演变规律如图４～图６所示．由图可知，相较于１＃～６＃测点，Ｓ ３试样正反两面７＃、８＃测点损伤均有较大幅度增长；试样破坏时，反面２个测点损伤值达到２０％左右，略大于正面的损伤值；其余测点损伤值未见明显增长．相较于１＃～３＃测点，Ｓ ４试样正面４＃、６＃、７＃和＃８测点损伤值增长较快，至试样破坏时达到峰值，损伤值约１０％～１３％，而其余测点以及背面各测点损伤均无较明显演化过程；该试样最终在６＃测点位置处发生破坏．相较于１＃～５＃测点，Ｓ ８试样正反两面６＃、７＃和８＃测点损伤均有较大幅度增长，且损伤值较为一致，至试样破坏时损伤值均达到２０％～２５％；试样最终破坏发生于７＃应变片位置处．通过比较可知，Ｓ ３试样正反两面损伤均有较７４６第４期何顶顶，等：２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料损伤演化试验研究ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（ａ）试样正面（ｂ）试样反面图４　Ｓ ３试样损伤演化过程（ａ）试样正面（ｂ）试样反面图５　Ｓ ４试样损伤演化过程（ａ）试样正面（ｂ）试样反面图６　Ｓ ８试样损伤演化过程大幅度增长，但损伤演化程度存在较大差异；Ｓ ４试样仅正面监测到损伤演化；Ｓ ８试样正反两面损伤均有较大幅度增长，并且损伤演化程度较为一致．所有３个试样失效破坏均位于损伤演化程度较为剧烈的局部区域，并且在远离破坏位置处，损伤未见明显演化过程．２．２　失效模式分析纤维编织复合材料中存在４种典型的失效模式：基体开裂、分层、纤维拔出及纤维断裂［１５］．对于２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料，基体成分只填充在编织纤维的空隙中，占整体体积较少，因此在宏观拉伸条件下一般不考虑基体开裂的失效模式．在实际试验测试中，纤维拔出与纤维断裂破坏形式常常伴随发生，无法准确评估，故将此种混合破坏作为一种失效模式．Ｓ ３、Ｓ ４和Ｓ ８试样的破坏断口如图７所示．其中，Ｓ ３试样断口一侧出现肉眼可见的编织铺（ａ）Ｓ ３试样（ｂ）Ｓ ４试样（ｃ）Ｓ ８试样图７　试样宏观断口实物图８４６东南大学学报（自然科学版） 第５０卷层，同时破坏截面较为平整，边缘存在部分纤维丝拔出；Ｓ ４试样在破坏区域沿厚度方向分成若干层，手动掰开后断口可见明显的编织铺层；Ｓ ８试样断口较为齐整，能够观察到纤维丝的断裂面，同时断口有纤维束拔出，拔出长度不一．依据试样破坏的宏观断口分析，可将此３组试样发生的失效模式归结为３类，即分层破坏、纤维拔出与断裂破坏以及混合破坏，如表１所示．结合３个试样损伤及其演化过程，可以发现：Ｓ ３试样为分层和纤维拔出与断裂混合失效模式，损伤首先发生在试样一侧，然后逐渐扩展至另一侧，因此其正反两面损伤均有较大程度演化，但不均匀；Ｓ ４试样为分层失效模式，损伤发生在试样一侧，并且损伤只在编织层间扩展，因此其损伤仅在正面一侧演化；Ｓ ８试样为纤维拔出与断裂失效模式，损伤在试样两侧同步、均匀演化．表１　试样失效模式以及损伤效应试样失效模式损伤演化过程损伤最大值／％正面反面Ｓ ３分层和纤维拔出与断裂同时发生（混合破坏）正反面持续增长、但不同步１０．９７２５．２１Ｓ ４分层破坏正面持续增长、反面无明显变化１２．３２±４波动Ｓ ８纤维拔出与断裂破坏正反面同步、持续增长２４．２５２４．７２ ２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料的力学性能取决于碳纤维的强度和含量、基体性能以及界面黏接强度等因素．纤维强度较大的离散性以及尺寸效应的存在，材料成型过程广泛存在于基体中的微细孔洞、裂纹，以及界面空隙、脱黏和分层等缺陷从根本上决定了损伤萌生、演化过程以及最终失效模式．因此，针对本文的３个试样而言，即使是相同的加载条件，最终也可能产生不同的破坏形式．宏细观结合的失效分析方法，即同步监测初始微细缺陷以及宏观力学性能的演化过程，有助于揭示此类材料的失效机理，将在后续工作中进一步研究．３　结论１）损伤是一种局部现象，只有破坏位置附近的响应测点数据才能有效反映该试样的损伤演化过程．２）２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料属脆性材料，损伤演化程度较低时即发生断裂破坏．３）试样分层破坏时损伤累积程度较小，在损伤值达到１０％～１３％时发生破坏．分层破坏断口面积较大，只能在靠近分层一侧处监测到损伤演化过程，且破坏裂纹只在编织层间扩展．４）试样纤维拔出和断裂破坏的断口面积较小，损伤累积现象明显，能在断口附近正反面均监测到损伤演化过程，损伤值达到２０％～２５％时发生破坏．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］ＢｒａｎｄｔＪ，ＤｒｅｃｈｓｌｅｒＫ，ＡｒｅｎｄｔｓＦＪ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｅｒ ｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂａｓｅｄｏｎｖａｒｉｏｕｓｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎ ｓｉｏｎａｌｗｏｖｅｎ ｆｉｂｒｅｐｒｅｆｏｒｍｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９６，５６（３）：３８１３８６．ＤＯＩ：１０．１０１６／０２６６ ３５３８（９５）００１３５ ２．［２］梁军，陈晓峰．多向编织复合材料的力学性能研究［Ｊ］．力学进展，１９９９，２９（２）：１９７２１０．ＬｉａｎｇＪ，ＣｈｅｎＸＦ．Ｓｔｕｄｙｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍｕｌｔｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＭｅｃｈａｎｉｃｓ，１９９９，２９（２）：１９７２１０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［３］郭飞，费庆国，李彦斌，等．基于Ｗｅｉｂｕｌｌ模型的Ｃ／Ｃ复合材料销钉剪切强度分布及本构关系［Ｊ］．复合材料学报，２０１９，３６（２）：４６１４６８．ＤＯＩ：１０．１３８０１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｆｈｃｌｘｂ．２０１８０４１２．００１．ＧｕｏＦ，ＦｅｉＱＧ，ＬｉＹＢ，ｅｔａｌ．Ｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｄｉｓｔｒｉｂｕ ｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｏｆＣ／ＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｉｎｓｂａｓｅｄｏｎＷｅｉｂｕｌｌｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｅＣｏｍｐｏｓｉｔａｅＳｉｎｉ ｃａ，２０１９，３６（２）：４６１４６８．ＤＯＩ：１０．１３８０１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｆｈｃｌｘｂ．２０１８０４１２．００１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［４］汤素芳，周星明，邓景屹，等．ＣＶＩ法制备２ＤＣ／Ｃ复合材料［Ｊ］．新型炭材料，２００５，２０（２）：１３９１４３．ＤＯＩ：１０．３３２１／ｊ．ｉｓｓｎ：１００７ ８８２７．２００５．０２．００８．ＴａｎｇＳＦ，ＺｈｏｕＸＭ，ＤｅｎｇＪＹ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆ２ＤＣ／Ｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂｙｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＮｅｗＣａｒｂｏｎＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００５，２０（２）：１３９１４３．ＤＯＩ：１０．３３２１／ｊ．ｉｓｓｎ：１００７ ８８２７．２００５．０２．００８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［５］梁军，杜善义，韩杰才．一种含特定微裂纹缺陷三维编织复合材料弹性常数预报方法［Ｊ］．复合材料学报，１９９７，１４（１）：１０１１０７．ＬｉａｎｇＪ，ＤｕＳＹ，ＨａｎＪＣ．Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｅｌａｓｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｍａｔｒｉｘｍｉ ｃｒｏｃｒａｃｋｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｅＣｏｍｐｏｓｉｔａｅＳｉｎｉｃａ，１９９７，１４（１）：１０１１０７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［６］陈素芳，谭志勇，姜东，等．高温环境下纤维增强复合材料等效参数预测［Ｊ］．振动与冲击，２０１８，３７（１１）：２１６２２４，２５８．ＤＯＩ：１０．１３４６５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｖｓ．２０１８．１１．０３１．ＣｈｅｎＳＦ，ＴａｎＺＹ，ＪｉａｎｇＤ，ｅｔａｌ．Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐａｒａ ｍｅｔｒｉｃｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｆｏｒｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｕｎｄｅｒ９４６第４期何顶顶，等：２．５ＤＣ／Ｃ编织复合材料损伤演化试验研究ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄＳｈｏｃｋ，２０１８，３７（１１）：２１６２２４，２５８．ＤＯＩ：１０．１３４６５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｖｓ．２０１８．１１．０３１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［７］费庆国，姜东，陈素芳，等．高温下编织复合材料热相关参数识别方法研究［Ｊ］．力学学报，２０１８，５０（３）：４９７５０７．ＤＯＩ：１０．６０５２／０４５９ １８７９ １８ ０７８．ＦｅｉＱＧ，ＪｉａｎｇＤ，ＣｈｅｎＳＦ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｌａｔｅｄｐａ ｒａｍｅｔｅｒｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｂｒａｉｄｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｔｈｉｇｈｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄＡｐ ｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１８，５０（３）：４９７５０７．ＤＯＩ：１０．６０５２／０４５９ １８７９ １８ ０７８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［８］秦福溶，姜东，曹芝腑，等．基于灵敏度分析的复合材料组分参数识别方法［Ｊ］．复合材料学报，２０１８，３５（１２）：３３５０３３５９．ＤＯＩ：１０．１３８０１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｆｈｃｌｘｂ．２０１８０２１１．００３．ＱｉｎＦＲ，ＪｉａｎｇＤ，ＣａｏＺＦ，ｅｔａｌ．Ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｄｅｎｔｉｆｉｃａ ｔｉｏｎｆｏｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂａｓｅｄｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｅＣｏｍｐｏｓｉｔａｅＳｉｎｉｃａ，２０１８，３５（１２）：３３５０３３５９．ＤＯＩ：１０．１３８０１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｆｈｃｌｘｂ．２０１８０２１１．００３．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［９］ＡｕｂａｒｄＸ，ＣｌｕｚｅｌＣ，ＧｕｉｔａｒｄＬ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆ４Ｄｃａｒｂｏｎ／ｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９８，５８（５）：７０１７０８．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｓ０２６６ ３５３８（９７）００１８１ ４．［１０］ＢｏｉｔｉｅｒＧ，ＶｉｃｅｎｓＪ，ＣｈｅｒｍａｎｔＪＬ．Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｔｈｅｃｒｅｅｐｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａ２．５ＤＣｆ ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ⅰ．Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｓ ｒｅｃｅｉｖｅｄｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ａ，２０００，２７９（１／２）：７３８０．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｓ０９２１ ５０９３（９９）００６２６ ７．［１１］韩红梅，李贺军，张守阳，等．三维编织碳／碳复合材料（Ｃ／Ｃ）的拉伸性能及损伤［Ｊ］．机械科学与技术，２００２，２１（３）：４５１４５３．ＤＯＩ：１０．３３２１／ｊ．ｉｓｓｎ：１００３ ８７２８．２００２．０３．０３９．ＨａｎＨＭ，ＬｉＨＪ，ＺｈａｎｇＳＹ，ｅｔａｌ．Ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆ３ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｒａｉｄｅｄｃａｒｂｏｎ／ｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，２１（３）：４５１４５３．ＤＯＩ：１０．３３２１／ｊ．ｉｓｓｎ：１００３ ８７２８．２００２．０３．０３９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１２］ＬｅｍａｉｔｒｅＪ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄｄａｍａｇｅｉｎｍｅｔａｌｓｓｕｂｍｉｔｔｅｄｔｏｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｉｎｇ［Ｊ］．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９７２，７６（６）：５４０５４９．［１３］ＫａｃｈａｎｏｖＬＭ．Ｒｕｐｔｕｒｅｔｉｍｅｕｎｄｅｒｃｒｅｅｐｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｒａｃｔｕｒｅ，１９９９，９７（１／２／３／４）：１１１８．ＤＯＩ：１０．１０２３／Ａ：１０１８６７１０２２００８．［１４］ＲａｂｏｔｎｏｖＹＮ．Ｃｒｅｅｐｒｕｐｔｕｒｅ［Ｃ］／／ＡｐｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎ ｉｃｓ，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＩＣＡＭ １２．Ｓｔａｎｆｏｒｄ，ＣＡ，ＵＳＡ，１９６８：３４２３４９．［１５］唐国翌，闫允杰，陈锡花，等．多向编织碳纤维复合材料的断裂及微观形貌［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），１９９９，３９（１０）：４７．ＤＯＩ：１０．３３２１／ｊ．ｉｓｓｎ：１０００ ００５４．１９９９．１０．００２．ＴａｎｇＧＹ，ＹａｎＹＪ，ＣｈｅｎＸＨ，ｅｔａｌ．Ｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｍｕｌｔｉ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｒａｉｄｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ／ｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），１９９９，３９（１０）：４７．ＤＯＩ：１０．３３２１／ｊ．ｉｓｓｎ：１０００００５４．１９９９．１０．００２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）０５６东南大学学报（自然科学版） 第５０卷ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。

高延性水泥基复合材料（HDCC）是一种具有应变硬化、多缝开裂和高延性等特性的新型纤维增强水泥基复合材料。

概念提出之始，是以微观力学参数为基础进行设计，通过取得基体韧度、界面粘结和纤维特性三者的最优组合，实现高延性。

然而细观力学设计是一个非常大的系统工程，同时水泥基复合材料本身也是一种十分复杂的材料，因此从原材料性能的影响规律和优化配合比，以材料的宏观力学性能作为设计目标，从经验的和定性的初步设计开始，实现HDCC最优的材料制备技术显得很有必要。

断裂韧度反应了基体抵抗开裂的能力，也是高延性水泥基复合材料（HDCC）的设计基础。

Li等指出当聚乙烯醇纤维体积掺量为2％，HDCC 基体的断裂韧度Jm应低于0.01 kJ/㎡。

纤维和基体界面粘结应力一定时，基体的开裂韧度越低，越容易产生多缝开裂现象。

影响HDCC性能的因素非常多，除了原材料品种及性能与配合比参数如水胶比、胶砂比、粉煤灰含量和其他掺合料的影响外，还受养护条件、流动性、龄期等因素的影响。

从而使得HDCC的配合比设计非常复杂困难。

本文全面系统研究了配合比设计参数、原材料优选、拌合物流动性及养护制度等对HDCC的力学性能尤其是拉伸延性的影响，同时测试了部分配合比的干燥收缩、氯离子扩散性和水渗透性。

从粉煤灰掺量、胶砂比、集料含量、纤维掺量、适当的颗粒状材料、水泥品种、粉煤灰品种、防水剂、外加剂掺量及品种、拌合物流动性、不同养护制度等方面，优化了特定材料下的材料制各技术。

所制备的HDCC最大延性达5％左右，达到国际先进水平。

在配合比设计基础上，综合众多因素，本文全面系统研究了配合比设计参数等对HDCC基体的断裂韧度的影响规律。

测试了不同龄期的基体抗压强度、断裂韧度等，深入揭示了水胶比、粉煤灰含量、灰砂比等配合比关键参数和粉煤灰品种，橡胶微粉等对HDCC基体断裂性能的影响规律和机理。

充分表明了微观结构决定着材料的宏观行为。

因此在断裂韧度的基础上，选择了部分基体的配合比，制备了微观测试样品，系统进行了MIP、XRD和纳米硬度等微观性能的分析，并借助裂端位错行为的分子动力学理论，分析了<20nm微孔对断裂性能的影响，并采用拟合与微观力学分析方法，得出了孔隙率和微孔含量与断裂性能之间的定量关系。