高温环境下碳纤维强度与刚度变化趋势预测方法

本发明涉及复合材料力学性能预测，特别涉及一种高温环境下碳纤维强度与刚度变化趋势预测方法。

背景技术：

1、为了提升航空航天飞行器热防护结构件在极端高温环境下的承载稳定性，碳纤维复合材料被选用作为其基础材料。碳纤维作为复合材料主要的力学承载组分，其在高温环境下的力学性能变化一直以来都是研究热点。

2、目前对于pan基碳纤维在高温环境下的力学性能的研究主要是通过实验开展，然而碳纤维单丝由于其直径小通常为微米量级，实际试验过程中很难在这种尺度实时监测损伤的发展，这给其力学性能的预测以及破坏机理的研究带来了困难。除此之外，超高温环境下的力学性能试验能够实现的温度通常不能达到实际应用环境温度，对超高温环境材料的承载能力较难预测。

技术实现思路

1、本发明提供一种高温环境下碳纤维强度与刚度变化趋势预测方法，从微观尺度分析了超高温环境下碳纤维微观结构变化和力学性能变化之间的关系，预测碳纤维在不同温度下强度和刚度的变化趋势。

2、本发明实施例提供一种高温环境下碳纤维强度与刚度变化趋势预测方法，包括以下步骤：

3、(1)通过分子动力学模拟建立基于微观真实结构的聚丙烯腈基碳纤维的趋真化模型；

4、(2)选择分子动力学模拟中的力场函数，并确定模拟系数；

5、(3)对聚丙烯腈基碳纤维的趋真化模拟退火过程以及相应高温环境下的拉伸模拟过程；

6、(4)定量统计退火过程后碳纤维微观结构的变化；

7、(5)根据高温拉伸模拟结果，绘制不同高温环境下碳纤维的轴向拉伸应力应变曲线，并获取碳纤维轴向强度与刚度变化趋势；

8、(6)根据皮尔逊积矩相关性理论，确定高温环境下碳纤维微观结构变化与其力学性能变化之前的关系。

9、可选地，在本发明的一个实施例中，微观真实结构的聚丙烯腈基碳纤维的趋真化模型包括石墨微晶、无定形碳、孔洞缺陷和一定量的非碳元素，对石墨微晶的建模由六边形碳环组成梯形结构构成主体，其边缘被氢和氮元素饱和排布。可选地，在本发明的一个实施例中，

10、可选地，在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，选择分子动力学模拟中的力场函数，并确定模拟系数，包括：

11、airebo势函数是对rebo势函数的改进，在rebo势的基础上，考虑长程相互作用项和扭转项，表达式如下：

12、

13、式中，项为rebo势函数，为lenard-jones势函数，是依赖二面角的四体式扭转项；

14、选取tersoff多体势函数来模拟n与c原子之间的作用力，表达式为：

15、

16、式中，fr(rij+δ)为二体项，fa(rij+δ)为三体项，fc(rij+δ)为保证第一临近相互作用的截止项，rij为两原子间距离，δ为截断半径。

17、可选地，在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，对聚丙烯腈基碳纤维的趋真化模拟退火过程以及相应高温环境下的拉伸模拟过程，包括：

18、步骤(3.1)，超高温热处理步骤如下：

19、a)在200ps内将npt系综下的模拟系统从300k加热到模拟温度；

20、b)在模拟温度下保温250ps，对系综进行250ps的弛豫；

21、c)在200ps内将系统从模拟温度冷却到300k；

22、将生成的.xyz结果文件导入到可视化分析软件ovito中，进行统计分析；

23、步骤(3.2)，超高温拉伸模拟过程步骤如下：

24、选用mises应力作为原子的等效应力，进行后续拉伸模拟。

25、可选地，在本发明的一个实施例中，在步骤(4)中，定量统计退火过程后碳纤维微观结构的变化，包括：

26、步骤(4.1)，对碳纤维内石墨微晶轴向取向的统计方式为：

27、αx、αy和αz分别是环法线与x、y和z轴所形成的角度，假设x轴为碳纤维轴向，cosαx＝0表示该碳环法线与x轴的夹角为90°，即该碳环本身与x轴平行，引入herman取向因子hof来量化碳纤维整体石墨微晶的有序程度：

28、

29、其中，尖括号运算表示计算识别的所有5、6、7碳原子环的平均值，hof的取值范围为-0.5到1，其中，hof＝0代表环的方向完全随机，hof＝-0.5代表碳环方向与碳纤维轴向完全重合；

30、步骤(4.2)，对碳纤维内石墨微晶尺寸的统计方式为：

31、采用分子动力学模拟可视化后处理软件ovito对后续高温模拟处理后的碳纤维模型进行切片，手动统计同一平面下与石墨片层结构相联接的乱层结构轴向间距，将其平均化以得到微晶长度，对微晶厚度和层间距采用类似的统计方法。

32、可选地，在本发明的一个实施例中，在步骤(5)中，绘制应力应变曲线采用最小二乘法对应力的上升阶段进行拟合，得到碳纤维拉伸模拟结果中的弹性模量；选择最大应力作为碳纤维模型的强度，强度对应应变为失效应变。

33、可选地，在本发明的一个实施例中，在步骤(6)中，采用皮尔逊积矩相关系数确定力学性能变化趋势与微观结构变化之间的相关性。

34、本发明实施例的高温环境下碳纤维强度与刚度变化趋势预测方法具有以下有益效果：本发明在微观尺度建立了原子级趋真化碳纤维模型，从原子级尺度分析聚丙烯腈基(pan)碳纤维在高温环境中微观结构的损伤和随温度变化的模式；同时从原子级尺度分析碳纤维在高温热处理后的轴向拉伸力学性能，通过对拉伸过程中碳纤维微观结构演化的统计和分析，获取更贴合实际的高温环境碳纤维力学性能；无需通过大量高成本且条件严苛的试验，即可得到高温环境下碳纤维的强度与刚度性能，通过本发明可获取不同温度下碳纤维轴向拉伸强度与刚度参数，进而获得微观尺度碳纤维轴向拉伸强度与刚度随温度的变化趋势，能够节省试验成本，为超高温复合材料的纤维组分和整体的力学性能分析和优化设计提供指导数据，具有重要工程意义。

35、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种高温环境下碳纤维强度与刚度变化趋势预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，微观真实结构的聚丙烯腈基碳纤维的趋真化模型包括石墨微晶、无定形碳、孔洞缺陷和一定量的非碳元素，对石墨微晶的建模由六边形碳环组成梯形结构构成主体，其边缘被氢和氮元素饱和排布。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，选择分子动力学模拟中的力场函数，并确定模拟系数，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，对聚丙烯腈基碳纤维的趋真化模拟退火过程以及相应高温环境下的拉伸模拟过程，包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，定量统计退火过程后碳纤维微观结构的变化，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(5)中，绘制应力应变曲线采用最小二乘法对应力的上升阶段进行拟合，得到碳纤维拉伸模拟结果中的弹性模量；选择最大应力作为碳纤维模型的强度，强度对应应变为失效应变。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(6)中，采用皮尔逊积矩相关系数确定力学性能变化趋势与微观结构变化之间的相关性。

技术总结本发明公开了一种高温环境下碳纤维强度与刚度变化趋势预测方法，包括以下步骤，(1)在分子动力学模拟软件中建立基于微观真实结构的聚丙烯腈基(PAN)碳纤维的趋真化模型；(2)选用合适的分子动力学模拟中的力场函数；(3)借助开源分子动力学模拟软件LAMMPS完成退火模拟过程和高温环境下的拉伸模拟过程；(4)统计高温热处理(退火)后碳纤维主要微观结构变化程度；(5)根据高温拉伸模拟结果绘制不同高温环境下碳纤维的轴向拉伸应力应变曲线，并获取碳纤维轴向强度与刚度变化趋势；(6)根据皮尔逊积矩相关性理论，确定高温环境下碳纤维微观结构变化与其力学性能变化之前的关系。本发明可以对聚丙烯腈基碳纤维在真空且超高温环境下的强度与刚度变化趋势进行有效预测。技术研发人员：张帆,张宏建,崔海涛受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13