机械工程学报

作者：李伟琪, 齐乐华, 晁许江, 葛健, 田文龙, 李贺军

单位：1. 西北工业大学机电学院 西安 710072;2. 西北工业大学C/C复合材料研究中心 西安 710072

关键词：缺口碳/碳复合材料,损伤行为,承载能力,数值计算,试验测试；

基金：国家自然科学基金资助项目(52302115，52231004)。

碳/碳(C/C)复合材料是航空、航天和核能等领域不可或缺的战略性材料。为满足装配和功能需求，C/C复合材料不可避免地会存在各种形式的缺口，在服役过程中，其缺口边缘处极易产生不同类型损伤，进而影响材料的失效载荷，因此设计C/C复合材料构件时必须考虑缺口参数对其力学性能的影响。为提升含缺口构件的设计水平，采用试验测试和数值计算相结合的C/C复合材料损伤行为研究方法，通过不同缺口尺寸试样的拉伸试验获得材料承载能力和失效形貌，根据各类损伤的特征，分别采用Hashin、Puck和二次应力准则定义碳纤维、热解碳基体和层间界面损伤的起始，并通过基于能量的损伤演化方法描述相应的刚度退化行为。数值预测的极限载荷和损伤分布与试验结果吻合，证明了所建有限元模型的有效性。研究表明，缺口尺寸和位置均对C/C复合材料的承载能力有较大影响，当缺口尺寸从1.0 mm增大至2.2 mm时，极限载荷下降38.5%；而当缺口间距离从0 mm增大至12.8 mm时，纤维损伤的起始位移减小16.1%，极限载荷下降17%。此外，研究还揭示了缺口C/C复合材料的损伤演化规律：在加载过程中，层间界面损伤、基体损伤和纤维损伤依次出现并不断演化直至材料完全失效。研究成果有望为含缺口C/C复合材料构件设计提供参考。

来源：2025年第12期

《机械工程学报》期刊编辑部

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