复合材料及其结构的分析方法

1、复合材料结构及其力学10复合材料与结构研究所复合材料及其结构的分析方法多尺度多物理场不确定性With the increased use of composites in primary structures, accident investigators will likely encounter failed composite structures with increasing frequency in the coming decadesWhy would these composite structures fail? First, we are building composit

2、e structures on a scale never before achieved.Second, we are building composite structures through relatively new, automated techniques rather than relying on traditional methods of constructing composites by handAnd third, our inspection and maintenance requirements will no longer be driven by fati

3、gue and corrosion performance, as they are for metallic structures, because composites are not as susceptible to these failure mechanisms. Instead, accidental subsurface damage and subsequent failure progression will be more importantThe ductility of metal structures provides macrostructurally visib

4、le information regarding an accident (Wanttaja, 1994)Typical aircraft composites are not ductile; they are brittle, which means they undergo relatively minor permanent deformation prior to final failureWhat evidence would be produced by a failed composite structure?The analysis of microstructural ev

5、idence becomes paramountMicrostructural evidence refers to relatively local deformation and changes in the structure, such as fracture surfaces, that typically require close visual or microscopic analysis.Indications of fatigue cracking in the lower right wing spar cap of the Chalks Ocean Airways Gr

6、umman Mallard G73 that crashed during takeoff December 19, 2005. This is an example of using accumulated knowledge and experience with metallic structures to identify possible factors in an accident (NTSB, 2005).Tension failure in composites. Macroscopically, even simple tension canproduce fractures

7、 with a wide variety of features. Microscopic analysis isparamount (Ginty and Chamis, 1987).拉伸压缩弯曲冲击分层FatigueA300-600 composite vertical stabilizer that failed during American Airlines flight 587 in November 2001 (NTSB, 2004).the vertical stabilizer of the Airbus A300-600 is one of the largest compo

8、site principal structural elements in commercial aviation （before A 380 ）The vertical stabilizer of the A300-600 is attached to the fuselage by three pairs of composite lugs - forward, middle, and aftAnalysis of flight recorder data by the NTSB indicates that the aircraft was subjected to a violentl

9、y changing oscillatory sideslip motion, causing loads in excess of the ultimate design loads of the stabilizerThe NTSB determined that the right rear lug of the stabilizer suffered a tensile overload failure that caused the progressive failure of the remainder of the attachment points.tensile failur

10、es in composites generally produce rough fracture surfaces. The rough appearance of this fracture surface helped the NTSB determine that the lug failed under tensile loads. Similar rough fracture surfaces were found on the other two lugs on the right side of the stabilizer. As a result, the NTSB con

11、cluded that the lugs on the right side of the stabilizer failed due to overstress under tensile loading.Along with several other fractures, the fractures of the right aft lug were rough, consistent with tensile loading (NTSB, 2002).According to the analysis by the NTSB, after the lugs on the right s

12、ide failed, the damaged stabilizer deflected from right to left, loading the lugs on the left side of the stabilizer in bending. In bending, tension developed on the inboard side of the lugs and compression developed on the outboard side of the lugs. The NTSB identified evidence consistent with tens

13、ion failure on the inboard side and compression failure on the outboard side of the lugs on the left side of the stabilizer.Fractures in multiple locations exhibited chop marks (marked with a “c”) on theends of fractured fibers, consistent with compressive loading and buckling offibers (NTSB, 2002).

14、Interlaminar fractures in multiple locations exhibited hackles, consistent withfailure in shear (NTSB, 2002).on the left aft lug when fibers are subjected to compressive loads, they can buckle and the fracture surface on the end of a failed fiber may indicate chop marks. The left aft, left center, a

15、nd left forward lugs of the failed stabilizer each contained fractured fibers with chop marks Also found on the left aft lug were hackles associated with shear failure in the matrix-rich region between plies Hackles were found on the left forward lug as well.It must be noted that the NTSB did not fi

16、nd any indication of fatigue damage in the vertical stabilizerAn empirical approach, however, without understanding the changes of internal structure of the material over time and awareness of the consequences of those mechanisms upon structural integrity would prove disastrous. PROGRESSIVE FAILURE

17、ANALYSIS OF COMPOSITESFailure of composite structures is a progressive series of events. Failure often starts as a tiny crack between the fibers and matrixThese cracks decrease the stiffness of the matrix causing the fibers or surrounding plies to carry a higher stress than they normally would. Capt

18、uring stress redistribution is the key to realistic simulation of composite structures failurePROGRESSIVE FAILURE ANALYSIS OF COMPOSITESProgressive failure is commonly underutilized in industry because of the difficulty in achieving a solution the analyst can have confidence in. This difficulty stem

19、s from convergence problems in general purpose finite element codes and inaccurate methods for predicting multiple failure modes. In turn, this had led industry to use very conservative first-ply-failure solutions, negating many of the optimization advantages that can be gained from composite materi

20、als.PROGRESSIVE FAILURE ANALYSIS OF COMPOSITESThis involves a desire to answer such questions as: Where does damage occur and how does it affect ultimate integrity of the structure? How and when does damage initiate? How much tolerance exists between initial, localized failure through ultimate failu

21、re? How do different load conditions affect the structural response? How do environmental factors affect the structural response? How can the design be optimized to improve performance and efficiency? Inaccurate Analysis - Bad In = Bad OutDue to the non-homogeneous, constituent nature of composite m

22、aterials, they fail in manners quite different than linear elastic, homogeneous materials (metals)No Convergent Solution The Elusive Final AnswerWithout accurate knowledge of composite behavior ，Uncertainty Leads to Excessive ConservatismThe keys to this solution are the combined applications of Mul

23、ticontinuum Technology (MCT) and the Intelligent Discrete Softening (ISD) MethodMany researchers have recognized the need for multiscale stress or strain information in order accurately capture the failure response of the constituents in a composite However, a fundamental challenge in doing so is to

24、 efficiently cross multiple scales to capture micro-structural information where failure initiatesThe keys to this solution are the combined applications of Multicontinuum Technology (MCT) and the Intelligent Discrete Softening (ISD) MethodVirtually all successful failure theories developed for comp

25、osite laminates recognize that different failure criteria apply for the fiber and matrix within a composite material. Hashin proposed failure criteria for both the fiber and matrix materials within a composite based on the composite stress fields. In the spirit of Hashin, the multicontinuum theory e

26、mploys independent failure modes of the fiber and matrix constituents. However, rather than utilize composite stresses to predict constituent failure, MCT utilizes constituent stresses to predict constituent failure of the fiber and matrix. Continuum level constituent information may be generated in

27、 a numerically efficient manner utilizing a multiscale decomposition originally developed by HillProgressive Failure Analysis of Large Space StructureThis thick, all-composite structure is loaded primarily in bending. Failure of the structure is shown to be a series of events beginning with matrix c

28、racking through fiber failure and ultimate failure. Failure of the structure initiates early on in the loading at 260% Flight Limit Load (FLL), but does not collapse until 850% FLL!Progressive Failure Analysis of Large Space StructureProgressive Failure Analysis of Large Space StructureProgressive F

29、ailure Analysis of Large Space StructureComputational results of deformation and distribution of normal stressin loading direction before occurrence of initial damageComputational result of damage state of woven fabric compositesunder tensile load at =1.2%Computational result of damage state of wove

30、n fabric compositesunder tensile load at =1.89%Computational result of damage state of woven fabric compositesunder tensile load at =2.54%WiseTek碳/碳及其多向编织防热复合材料的力学问题如何获取性能？如何预报性能？如何考虑不确定性？概 念以碳/碳、碳/酚醛等为代表的多向编织防热复合材料是洲际战略导弹弹头、固体火箭发动机喷管等关键热结构部件无可替代的防热/结构材料，要承受超高温、高压和多相粒子流的高速冲刷等极为恶劣的服役环境，对其使用规范、可靠性能否做出

31、准确估算将取决于对该过程力学现象的理解深度碳/碳复合材料3D4D5D碳/碳复合材料径向纤维呈放射状环向纤维弯曲碳/碳复合材料德国著名碳/碳材料专家E. Fitzer和W. Huttner在“Structure and strength of carbon/carbon composites” （J. Phys. D: Appl. Phys., Vol14，1981 347-71）指出所有多晶碳和石墨材料都会利用碳元素中键具有的极高强度、在a和b方向上的低热膨胀性能以及高的热导率等性能，使得该类材料在高温和严重的热冲击条件下具有综合的物理性能优势实际上碳/碳材料复合材料中由于破坏行为受控于裂纹在

32、脆性、多孔的基体中的扩展，碳元素键的强度只是得到了部分应用。由于脆性材料中的裂纹问题，实际测量的破坏强度有数量级的差异，大大低于理论预报强度碳/碳复合材料碳/碳复合材料是一种典型的元素简单、微结构复杂的单元素多相体材料体系，在微观、细观和宏观尺度上具有各自明显的材料结构特征，在不同尺度上控制材料性能和破坏的因素也不同“现在人们已经认识到，对于多晶体而言，至少存在着宏观、细观和微观三个主要层次。它们之间并不存在着从微观可以推导出宏观性质的关系，或者说，宏观并不是微观的简单演绎”。（郑哲敏，周垣，张涵信，黄克智和白以龙等五位院士）碳/碳复合材料Macro meshMeso meshMicro me

33、shMacroMicroMesoM3methodGsxyW1, GTraction多尺度、多场耦合本构关系碳/碳复合材料 陶瓷基复合材料？ 毡基碳/碳材料发挥短纤维增韧作用，而多向编织碳/碳材料主要还是发挥纤维的增强作用碳/碳复合材料的本构关系脆性-线弹性？非线性？弹塑性-伪塑性？粘弹性-高温蠕变?准确把握其本构关系对热结构行为分析至关重要，否则将会导致完全错误的热应力和热应变预报结果，热强度估算也就失去其参考价值本构关系为分析2-2-3 3D C/C材料，研制了双向加载装置和大剪切应变测试仪，设计了试件形状，进行了150次试验，建立了非线性双模量应力-应变关系试验中发现了3D C/C材料的拉

34、伸和压缩基本是线性的，3D C/C材料具有完全不同的拉压模量，压缩模量大约为拉伸模量的75-85%3D C/C 材料在受剪情况下，剪应力-剪应变曲线是非线性的，其非线性行为从一开始就很明显，破坏时的剪应变很大，可达2 X 105 3 X 105， 宏观剪切非线性主要来自界面缺陷本构关系拉压双模量模型剪切非线性模型Z 向：a=2.75 X 10-3 cm3/Kg， b=8.3 X 10-5 cm3/KgXY向： a=3.42 X 10-5 cm3/Kg， b=7.63 X 10-5 cm3/Kg本构关系既考虑双模量特性又考虑剪切非线性，形成了完整表征3D C/C材料的力学模型，与Jones通过测

35、定AVCO Mod 3a C/C复合材料主方向的拉伸和压缩特性曲线建立的Jones-Nelson-Morgan非线性多模量材料模型类似，可以用于准确分析C/C结构部件的应力场45简单拉伸试验，材料主方向应力比1：1，不存在剪应力力学性能测试和表征正确认识碳/碳复合材料的最重要途径就是通过材料的性能试验，真实、可靠的材料性能数据来源于科学的测试评价方法长期以来多向编织碳/碳复合材料性能测试方法不能科学反映材料应有的本征特性，例如材料非均质性、各向异性，纤维连续性、完整性以及增强纤维的空间取向和分布等特点不能在材料试样取样和测试中给予完全的反映，缺乏组分材料的原位测试技术，复合后的纤维强度保持率以

36、及基体相结构和性质等重要参数难以掌握力学性能测试和表征尺寸效应：由于成本较高，碳/碳力学性能试件的尺寸较小，是否具有代表性碳/碳复合材料非常低的剪切强度使得这些材料力学性能测试时出现非常特殊的问题，许多破坏是由于纤维拔出造成的，方法？考虑到纤维束是主要增强相，因此准确评价纤维束的力学性能时首先要解决的问题，纤维原位性能测试的困难很大力学性能测试和表征破坏压缩应力与试件长厚比的关系当L/h由7变化到50时，压缩破坏强度可从1500MPa下降到125MPa，相差12倍，此外压缩破坏的形式还有脱层和脱层屈曲，这时候的破坏应力Xc也是很难测准的，测试条件稍有变化，测得的Xc可能产生几十至几倍的变化力学

37、性能测试和表征力学性能测试和表征某些碳/碳复合材料制备过程中增强纤维采用的是圆柱坐标系，而力学性能测试设备采用的是直角坐标系，使得测试试样中产生非均匀应力状态由于径向纤维束在坯体两端的自由面截断，在这些截断处的纤维束和基体之间肯定存在高剪应力区。如果这些剪应力超过纤维束与基体之间的剪切强度，纤维束将与周围的基体脱开，因此纤维束中仅有的拉伸应力是由纤维束与基体之间的摩擦和不均衡互锁引起转移的载荷引起的 力学性能测试和表征1983年，University of Wyoming根据美国海军需要，开展了“Axial test method development for 3D cylindrical

38、weave carbon/carbon composites ”研究主要开展纤维束拉伸、环向拉伸以及轴向和径向压缩试验方法研究，压缩试验取得较好效果，主要消除了剪切破坏的影响力学性能测试和表征组分性能表征近年来，复合材料细观力学的发展建立了许多预报模型和方法，缺乏组分性能一直是困扰的问题工艺和结构特点决定其组分性能具有强烈的工艺和增强结构的相关性，明显的“就位性能”，难以用原材料进行测试和表征必须考虑反映“就为性能”的组分性能测试技术力学性能测试和表征纤维束从复合材料中剥离困难制样和夹装困难纤维的非直线性可测试性能有限、分散性大力学性能测试和表征基体难以获得独立的“基体”材料随炉？缺乏表征和测

39、试手段压痕技术？界面多重界面特征顶出与拔出试验技术随机性分布力学性能测试和表征测试界面强度的纤维束顶出试验装置力学性能测试和表征力学性能测试和表征复杂应力状态试验根据试验和理论分析，设计所关注的复杂应力状态（包括拉拉、拉压、压压、拉剪等）实验状态，确定载荷比例解决第二向联合加载、试件标距区域的应力状态是否满足设计需要，载荷比例是否同步可控等问题获得复杂应力状态下材料破坏的载荷数据，采用二次函数分区拟合实验数据，建立材料强度准则，并给出不同强度的包络线力学性能测试和表征复杂应力性能测试平面试件制成十字形，厚度为3-5mm，四个夹紧端，贴有垫片，成燕尾状，使便于施加拉力。对于受压试件，采用矩形形状

40、试样，厚度稍厚对于拉拉试件，在十字形的凹角处会发生应力集中，为了测得材料的真实强度，必须控制失效的位置，使之发生在试件中央的标距区内。为此要把中心区铣薄为了尽量不损伤纤维，试件制备的关键是要使试件表面恰巧在三向碳碳的纤维束平面内，要尽量降低一切应力集中力学性能测试和表征拉拉、拉压试件压压试件力学性能测试和表征为了与十字形平面试件配合，使之实现两向受力，设计并制造双向加力装置，示意图如下所示，从十字试件其竖直方向的拉力由试验机施加，水平方向的拉力由双向加力装置施加。装置用滑轮吊挂在架上，处于随遇平衡状态，它可以随试件变形而升降，尽可能减小摩擦力，不给试件施加额外的弯矩。利用光弹试验方法，检测标距

41、区内应力分布是否均匀力学性能测试和表征拉剪双轴载荷试验及试件力学性能测试和表征高温、超高温性能测试性能和本构关系非常重要许多商业材料性能试验机已经能够解决1600C以下的力学性能、热物理性能的测试超高温（2000）材料性能测试技术 需要研究专用设备辐射、通电、感应加热方式尺寸、加载方式受到限高温应变测量依然是大问题美、乌、法、日、中HITCCM力学性能测试和表征500-15001500-2800HITCCM力学性能测试和表征力学性能测试和表征法国复合材料热结构实验室给出不同碳纤维的高温性能和本构行为研究（2400 C），针对不同温区经历线弹性、粘弹性、粘塑性本构行为利用CVI和CVD工艺在低模

42、量碳纤维上沉积不同机制碳基体，通过单个纤维增强复合材料的应力-应变曲线获得基体材料的高温力学行为（2200 C）C. Sauder et al. / Carbon 42 (2004) 715725C. Sauder et al. / Carbon 43 (2005) 20542065强度理论“强度理论是判断材料在复杂应力状态下是否破坏的理论”中国大百科全书力学卷和力学词典关于强度理论的定义很独特和奇妙的研究主题，命题很简单，但问题很复杂；它的研究众多，但进展很慢严格说来，强度理论应以严密的理论背景和大量的试验作为基础，还应十分重视其实用价值但在实际上很难全面兼顾这三个方面，不是理论方面有欠缺，

43、就是试验数据不充分，或者应用起来不够精确或不够方便“百花齐放，百家争鸣”强度理论在以x、y或以x、y、xy为坐标轴的平面或空间中，强度准则可分别用一条曲线或曲面来表示，这就是强度曲线或曲面，它们应该是连续的而且是封闭的，不但函数本身连写而且其切线或切面也应该是连续变化的，但有时候强度准则给出的曲线或曲面，只能保证函数本身的连续，其切线和切面会出现突变从破坏机理来分析，应力场的微小变化只可能引起强度曲线或曲面的微小变化，切线或切面方向也不应该突然大幅度变化，不过在不了解机理的情况下，不能过分强调这一点，与试验数据的附和才是更重要的，因为唯象论的强度准则，或多或少存在着误差强度理论唯象的强度理论或

44、准则是仅从试验结果所获得的现象出发而确定的，缺乏严密的理论背景，它只能预测材料破坏时的强度值，具有较大的实用价值，但不能确切知道破坏形式和破坏机理，不能推广唯象论的强度准则与破坏机理之间没有直接和必然的联系，材料的破坏有它的机理和规律性的，因此反映材料能力的强度准则和破坏机理之间总应该有些联系，探讨破坏机理，将有助于强度理论的研究强度理论ABCD差别不大EFGH差别很大延性材料脆性材料强度理论脆性材料在接近破坏应力或应变的（1/2-2/3）以上时，材料内部往往产生损伤和微裂纹，导致泊松比下降，对泊松比接近于零的情况，最大主应变准则几乎和最大主应力准则相同对延性材料，最大主应力和最大主应变准则都

45、不适用，尤其是在E、F、G、H点，应力的相互作用项，12 / 02、 22 / 02、 12 / 02 产生较大的影响，不可忽略，因此更适用于最大剪应力理论或最大剪切应变能理论强度理论铝和钢的试验数据和最大剪切应变能理论吻合得相当好，因为它们比较接近典型的延性材料因为不是完全的延性材料，修正的泊松比引入，和最大总应变能有联系的半经验半理论强度准则，有可能比最大剪切应变能准则更精确强度理论对于脆性较大的铸铁材料来说，其试验数据与最大主应力准则符合较好对于硬钢而言，是有一定脆性的延性材料，其剪切强度比钢高也是合理的强度理论复合材料属于以脆性为主的材料，而脆性材料的强度分散性大，在研究以脆性为主的复

46、合材料强度理论时，如果把其看作是延性材料，借用屈服的概念，这是理论原则上的错误对于复合材料，应采用二阶强度准则，在大量合理而又精确的试验数据的基础上，在4个象限（四个象限的破坏机理不同）采用表达式不同的强度曲线段，则将二阶强度准则用之于复合材料和其他以脆性为主的材料，在理论上就不出现矛盾强度理论以x、y为坐标轴的4个象限中，以及以x、y、xy为坐标轴的8个应力空间区域中，脆性材料和以脆性为主的复合材料破坏机理有所不同或明显不同，不能用一个完整的椭圆或椭球描述强度曲线或强度曲面脆性材料在受拉时，由于损伤和微裂纹的不断扩展，泊松比将减小，在受压时，由于损伤和微裂纹的闭合，泊松比将增大，材料在破坏时

47、仍然用线弹性的本构关系和忽视泊松比的变化，会带来很大的误差强度理论二阶强度准则的物理意义很清楚，是和能量有关的准则，考虑了应力的联合作用和相互作用对破坏所起的影响，比一阶强度理论更合理和精确最大剪切应变能准则适用于延性材料，其精度高于最大剪应力准则，属于二阶强度理论最大应变能准则近似地适用于脆性材料，其精度大多数情况下高于最大主应力准则和最大主应变准则，也属于二阶强度理论蔡-吴二阶强度准则改进的蔡-吴二阶强度准则简化的蔡-吴二阶强度准则强度理论唯象论的强度准则没有正确、合理和精确的强度数据为基础，强度理论就无法验证和发展材料的破坏强度和破坏机理，总是和应力状态、应变状态有关，在强度准则中，必须

48、考虑由于应力、应变状态不同而产生的特殊性在接近和发生破坏时，应力容易测定而应变因急速增大而难以测试，因此用应力分量表示的强度准则比用应变分量表示的强度准则更为精确、实用和可靠过分追求强度数据和强度理论的精度，要求理论预测值和试验数据之间的差在5%以下是不现实的，而10-15%就算上是很合理的了，目前的复合材料强度准则，还很难有做到这一点的强度理论针对3D C/C材料的复杂应力状态下材料破坏的载荷数据，采用二次函数分区拟合实验数据，建立材料强度准则，并给出不同强度的包络线。在四个象限中分别拟合实验数据所得到的二次型函数，舍去线性项，强度准则可以写成 式中：x、y、z、xy、xz、yz 是所研究的

49、应力状态，X、Y、Z、Sxy、Sxz、Syz是简单应力状态下的强度值，K1、K2、K3是双向应力状态下的强度参数强度理论强度理论强度理论通过强度曲线和试验数据比较发现，实验数据比较充分，在四个象限中分布也比较合理，但试验数据的分散性较大对于1、2、4象限。采用最大主应力拟合数据较好，3象限可以采用简化的Tsai-Wu准则较好，也可以用之拟合所有象限对拉剪应力作用的实验数据，简化的Tsai-wu准则（选取参数a1= 0.15比简化的Mohr强度准则拟合效果好破坏机理与断裂力学各向异性材料和复合材料的破坏准则多孔隙材料和多相材料的破坏准则特殊环境下的强度理论问题碳/碳复合材料从其组成来看都属于脆性

50、，并且由于制造过程中的影响，其内部不可避免地存在大量的空洞或缝隙，这些无疑会对材料的断裂特性会有很大的影响，材料在低应力下的脆断的可能性是存在的破坏机理与断裂力学断裂力学是六十年代发展起来的学科，其发展和国际上出现许多低应力下的脆断事故密切相关美国北极星导弹发动机壳体在试射中爆炸，所采用的D6AC高强钢，屈服强度为160kgf/mm2，而实际使用才只有70kgf/mm2，引起了材料工作者和科学家的高度重视断裂力学是固体力学的重要分支，专门研究带有裂纹材料或构件的强度以及裂纹扩展规律，处理材料抗断裂问题，可以说它是连续介质力学应用材料或构件破坏的一门应用科学，已成为当今设计师在进行材料安全设计时

51、不可缺少的重要数据脆性断裂FW应力集中 ？应力集中（for long crack ）衡量裂纹尖端的应力增长幅度应力集中因子应力集中应力集中A. A. Griffith (1920s)提出所有的材料中都存在很小的缺陷，非常小的微观缺陷会降低脆性材料的强度，这是为什么脆性弹性固体很难达到理论结合强度 (-E/10)，而延性材料对应力集中源不太敏感，是由于当最大应力超过屈服强度时，它们在裂纹尖端发生屈服Griffith提出所有的脆性材料包含一定数量的不同尺寸、形状和取向的微小裂纹和缺陷，当在这些缺陷的尖端的应力超过理论结合强度时，破坏就会发生玻璃晶须因为缺陷少而接近其理论强度脆性材料的Griffit

52、h理论当裂纹扩展时，存在弹性应变能的释放，这个能量的消耗产生新的断裂表面而促使裂纹扩展Griffith提出当释放的弹性应变能大于生成新裂纹表面所需的能量时，裂纹将会扩展脆性材料的Griffith理论随着裂纹的增长（a增大），与a的平方成正比的应变能最终拥有压倒表面能的优势，当a超过临界裂纹长度ac时，系统将使裂纹变得更长、以降低其能量在a=ac的临界点处，只有增加应力才会使裂纹继续增长但当大于ac时，裂纹的扩展将不受约束、而且是灾难性的令总能量的导数为零，可得到临界裂纹长度值破坏机理与断裂力学格里菲斯早期的工作研究的是很脆的材料，特别是玻璃棒。当材料表现出更多的塑性时，仅考虑表面能便难以提供精

53、确的断裂模型Irwin和Orowan各自独立地作了修正，他们提出：在塑性材料中，许多（实际上是绝大多数）被释放的应变能不是被形成的新表面所吸收，而是由于裂纹尖端附近材料的塑性流动而耗散了。当应变能释放的速率足以补偿所有这些能量损耗时，灾难性的断裂就发生了，用Gc参数来表示这一临界应变能释放率，于是格里菲斯方程可改为破坏机理与断裂力学能量平衡法使我们能深入、透彻地理解断裂过程直接考察尖锐裂纹尖端的应力状态，在断裂时，靠近裂纹尖端的应力场是阻碍裂纹扩展的一个重要特征，即裂纹开裂时，靠近裂纹尖端的应力场应该是恒定的，并提出了临界应力强度因子（Kc）的概念Kc因子描述了裂纹尖端附近的应力状态，在设计和

54、分析中，这些应力强度因子给出了材料裂纹尖端可以承受的应力强度的临界值（称为断裂韧性，记作KIC），一旦超过此值，裂纹将迅速扩展断裂强度拉伸最大缺陷控制对一般工程陶瓷材料来说KIC=1-5MPam1/2断裂强度压缩压缩强度由倾斜的裂纹控制（如45）裂纹平面的剪应力导致拉伸应力的产生裂纹生长平行于载荷方向拉伸与弯曲脆性材料的弯曲强度比拉伸强度要高，这主要因为最大缺陷可能不在靠近试样表面处试件尺寸与强度破坏机理与断裂力学1984年，沈阳金属所刘文川等曾开展了C/C复合材料的断裂特性研究材料断裂功Kg.mm/mm2临界裂纹强度因子/kg/mm3/2临界裂纹张开位移/mm高强石墨6500.0102.90

55、10.0163D浸渍沥青C/C0.61037.7150.0593D浸渍树脂C/C0.85323.9600.111碳毡浸渍树脂C/C0.0444.7170.038碳毡CVD C/C0.0152.2500.031破坏机理与断裂力学几点结论用断裂功可以比较真实反映C/C材料的韧性，编织C/C的韧性比石墨材料好得多3D C/C复合材料阻碍裂纹扩展的因素主要是横在裂纹前头的纤维束，如果这个纤维束被切断，复合材料要最终破坏从复合材料增韧的角度看，不希望纤维与基体以及纤维束内纤维之间的结合太强，只有这样，才能增大拉出功和脱粘功破坏机理与断裂力学80年代后期，顾震隆等进行了3D C/C材料2-2平面和2-3平

56、面内的宏观试件的简单拉伸和偏轴拉伸试验，偏轴拉伸试验分两类0 15（75 90）15 75裂纹扩展规律0 5以内，裂纹自相似扩展5 15以内，裂纹先自相似扩展，最后沿纤维束（或垂直纤维束）剪断15 75以内，试件在裂纹尖端处剪断破坏机理与断裂力学所有破坏都是灾难性的，没有稳定扩展过程，所以一个试件的强度决定于裂纹尖端的那个纤维束的强度0 15以内，由该纤维束的拉伸强度决定15 75以内，由该纤维束的剪切强度决定0 15内，纤维束同时受拉应力和不可忽视的剪应力，其强度随剪应力变化15 75内，纤维束受正应力不足以明显改变其剪切强度，所以完全由纯剪切强度决定是否剪断破坏机理与断裂力学破坏机理与断裂

57、力学碳/碳复合材料由于主动应力再分布机制的作用，提高了在孔洞和裂纹存在情况下材料断裂阻力和强度保持能力，根据碳/碳材料的组分和内部结构，碳/碳材料表现出三种损伤机制Class I为破坏伴随着内部纤维断裂和明显的基体裂纹Class II的复合行为是应力在多重基体裂纹周围再分布，但增强相保持完好Class III为出现多重无序的剪切基体裂纹，应力在一个剪切损伤带内部再分布微结构表征与性能预报复合材料强度、损伤和断裂等性能，比起有效弹性模量研究更为复杂，难点在于复合材料破坏过程的随机性及复杂性。对任意给定的材料，包括碳/碳复合材料，当考察尺度小到一定程度后，都将呈现出非均匀性，同时绝大多数复合材料的

58、微结构具有不确定或统计的特征材料微结构的非均匀性和随机性促使人们重新检查固体力学的基本概念及结果，意识到真实的材料在某种尺度上都是非均匀的，强调真实材料的非均匀性就能减少材料科学家与力学研究人员在研究对象与方法论上的差别，同时为工程师们提供设计和应用的有效工具，这是具有很大难度的一种新的探索。非均质材料显微结构与性能关联一直是材料科学及相关学科的研究前沿课题之一 微结构表征与性能预报多向编织碳/碳复合材料从细观的角度来看具有明显的编织结构单元周期性排列特征。但从微观角度来看，由于不同相炭形态的多样性和材料中存在大量的孔隙、裂纹等缺陷，其微结构具有明显多样性、随机、非均匀的特征，而对于这个特征，

59、在试验和理论分析上都缺乏有效的方法和手段，还很难对其进行测试、统计和分析 微结构表征与性能预报微结构表征目前常用的微结构表征手段，如光学显微镜、扫描电镜、透射电镜（TEM）等显微镜技术以及能谱分析技术, 受视场限制或所取试样可能存在的非典型性影响，其结果是局部的和片面的，难免带有人为的因素，此外制样过程也可能引起材料结构的变化观测到的总是相对平面的结构信息，纵深层次的结构信息较为欠缺，难以对复合材料非均匀、随机性的真实微结构特征，尤其是对其全局或统计概念上的微结构特征给予定量描述微、纳米-CT等技术的发展为准确描述材料的微结构非均匀、随机特征提供了有力的测试表征手段微结构表征与性能预报制样方法

60、带来了表面的伪真实性微结构表征与性能预报国外采用-XRD、-SAXS结合相对比度微断层扫描（Phase Contrast Micro-tomography）技术获得了碳/碳复合材料无损和立体的微结构信息，为准确描述材料的微结构非均匀、随机特征提供了有力的测试表征手段微结构表征与性能预报微结构表征与性能预报SEMCT微结构表征与性能预报获得孔隙率及统计分布C/C 3D 可视化模型与虚拟切片C/SiC CT和组分含量统计微结构表征与性能预报HITCCM基体内孔洞的概率分布曲线及分布函数 微结构表征与性能预报哈工大庞宝君等以三维四向编织复合材料为例，建立了四向编织复合材料单胞几何分析模型，给出了单胞