碳/碳(C/C)复合材料是由碳纤维增强碳基体组成的复合材料,是一种新型无机非金属复合材料,具有模量高、强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐磨损、耐热冲击、耐腐蚀和高温下强度保持率高等优点,在航天、航空和军事等高技术领域具有广泛的应用前景。作为一种热结构材料,C/C复合材料的力学性能以及其在服役过程中性能的稳定性得到众多学者的关注。由于C/C复合材料内部存在碳纤维、碳基体及多种界面,其细观结构是一个复杂的多相体系,而且是不均匀和多向异性的,这使得C/C复合材料结构内部的损伤形式相较于普通材料更为复杂,碳纤维预制体的结构、碳基体织构类型以及两者间的界面结合程度等因素都会对C/C复合材料内部损伤的产生和积累产生影响。因此,开展C/C复合材料在循环加载过程中界面结构演变规律研究对结构安全性有重要的意义。本论文的研究对象包括单向(1D)、正交铺层(2D)以及针刺碳毡(2.5D)增强C/C复合材料,论文考察了实验对象在不同加载模式、不同应力水平和不同循环加载周次下力学性能和断裂模式,研究了C/C复合材料内部不同界面在循环加载过程中结构的演变规律,探讨了C/C复合材料疲劳强化机理。主要研究内容和结果如下:以单向C/C复合材料为研究对象,研究了拉-拉循环加载对材料力学性能、断裂模式和微观结构的影响。发现经过拉-拉循环加载,单向C/C复合材料的剩余拉伸强度升高,断裂模式向假塑性断裂转变。由扫描电子显微镜(SEM)和压汞仪表征分析可知,在循环加载之后,试样内部纤维/基体界面、不同热解碳基体界面等界面处均出现微裂纹,同时开孔孔隙数量大幅度提高。这说明循环加载导致试样内部界面弱化。研究了10~4、10~5、5×10~5和10~6次弯-弯循环加载对单向C/C复合材料力学性能、断裂模式和微观结构的影响。发现经过10~4次循环加载时,单向C/C复合材料试样的剩余弯曲强度增幅达到最大,同时,经过10~4次循环加载后,材料的弯曲模量变化较大,而当循环周次增加后,循环周次对材料弯曲模量影响减小。通过压汞仪测试发现随着循环加载周次的提高,试样内部的缺陷数量提高,主要是小尺寸(孔径<1μm)缺陷数量显著地增加,而中尺寸(孔径在1-10μm)和大尺寸(孔径>10μm)缺陷数量增加不明显。研究了不同疲劳应力水平对2D正交铺层和2.5D碳毡增强C/C复合材料力学性能、断裂模式和微观结构的影响。发现无论是2D正交铺层和2.5D碳毡增强C/C复合材料,相比于各自疲劳极限应力水平下的剩余强度,在较低疲劳应力水平下循环加载后,剩余强度的增幅更高。同时,疲劳应力水平越高,试样的剩余弯曲模量越低。根据2D正交铺层C/C复合材料循环加载后的SEM照片,试样在循环加载作用下,纤维束内界面最先出现开裂脱粘,其次为纤维束间界面,最后为纤维束层间界面。根据2.5D碳毡增强C/C复合材料循环加载后的微观组织照片,低疲劳应力导致微裂纹在试样内部原始缺陷位置附近产生,当疲劳应力水平较高时,微裂纹相互连接形成贯穿性大裂纹,最终导致材料失效。采用内耗手段,对循环加载前后单向C/C复合材料的界面结构变化规律进行表征。发现C/C复合材料的内耗性能在循环加载之后显著增加;在疲劳试验的初期(10~4次加载之后),内耗性能的增幅最显著;在循环加载一定次数之后(5×10~5次加载之后),试样的内耗性能变化很小或者保持不变。这说明在疲劳试验初期(10~4次加载之后),试样内部的开孔孔隙增加最显著,试样微观结构受到的影响最显著。采用XRD和拉曼手段,研究了单向(UD)和正交铺层(2D)C/C复合材料内部热解碳循环加载前后的热解碳结构,发现经过循环加载,热解碳微晶结构由二维乱层结构向三维有序结构转变。以单向和2.5D针刺碳毡增强C/C复合材料为研究对象,研究了热解碳层间界面(二次界面)在疲劳试样弯曲失效过程中所发挥的作用。由于二次界面在循环加载过程中界面结合弱化,使得传播至二次界面处的裂纹尖端应力在界面缺陷处得到释放,从而使得继续传播至主界面(纤维/基体界面)处的裂纹尖端应力大幅度下降,使得纤维/基体界面所受到裂纹应力冲击减小。由于较为完整的纤维/基体界面有利于材料表现出更高的力学性能,因此疲劳试样的剩余弯曲强度相较于原始试样大幅度提高。