2.5D-C/SiC复合材料的拉伸损伤研究

通过2.5D-C/SiC陶瓷基复合材料的面内拉伸试验, 研究了材料在拉伸载荷作用下的力学性能和损伤演化过程, 建立了2.5D-C/SiC复合材料的应力型和应变型拉伸损伤演化模型. 结果表明, 材料沿纵向和横向的拉伸应力－应变曲线相似, 损伤过程基本相同. 对应于拉伸应力应变曲线的三个特征切线模量, 面内拉伸的损伤演化过程可以分为三个阶段: 初始损伤阶段、损伤加速阶段和损伤减缓阶段. 由应力型损伤演化模型可以推导出三个损伤阶段的两个特征应力, 其中第一特征应力可以作为工程比例极限的参考值.     

基于声发射技术的陶瓷基复合材料声速特性

基于Christoffel方程,运用复合材料刚度矩阵与弹性常数间的关系,将正交各向异性模型运用于2D-C/SiC复合材料的声学特性中,得到材料声速的表达式。通过循环加卸载试验测量了2D-C/SiC复合材料整个拉伸过程中不同应力水平处的声速变化,研究了声速对2D-C/SiC复合材料的损伤表征。研究发现,随着应力水平的不断增加,声速逐渐下降,2D-C/SiC复合材料损伤程度对声波在材料中的传播速度有较大影响;引入卸载模量和再加载模量,代替声速理论计算切线模量,理论结果与试验结果吻合良好,误差随载荷增加而增大;声波速度随2D-C/SiC复合材料损伤而发生衰减的关系,根据此衰减关系建立了基于声速的损伤表征量。      

2D-C/SiC复合材料开孔件拉伸强度有限元计算

对2D-C/SiC复合材料开孔试件最小净截面图像进行观测,获得试件材料内部宏观孔洞的分布形态及密度分布梯度。通过对2D-C/SiC复合材料拉伸应力-应变行为进行非线性拟合,并利用理论模型计算与实验验证相结合的方法得到了材料密度与其拉伸模量和强度的关系,描述了不同密度2D-C/SiC复合材料的拉伸应力-应变行为。在此基础上,将制备工艺造成的试件材料密度分布的非均匀性和材料拉伸应力-应变行为的非线性引入到有限元模型中,进行开孔试件拉伸剩余强度模拟计算,预测结果与实验结果吻合较好。     

2D-C/SiC复合材料轴向加载泊松效应

基于单调和循环加卸载实验,测试获得了不同加载过程中2 D-C/SiC复合材料在纤维束轴向方向上的泊松曲线,并对比分析了轴向损伤演化进程对材料泊松效应的影响.结果表明,在拉伸损伤加剧过程中,材料表现出显著的负泊松比行为;在加载损伤停滞状态下,材料则表现为近似线性正泊松比行为.加载过程中材料的泊松效应随着损伤程度的增加而不断减弱.结合扫描电镜断口结果分析可知,拉伸损伤加剧过程中材料内部沿加载方向上不断产生的基体开裂和界面脱粘损伤引起的材料沿垂直加载方向上的伸长变形,大于并掩盖了拉伸载荷在垂直加载方向上引起的弹性收缩变形,是导致2 D-C/SiC复合材料表现出显著负泊松比行为的主要原因;加载损伤加剧过程中产生的大量开裂损伤导致的材料整体连续性的降低是导致其泊松效应不断减弱的主要影响机制.     

三维机织陶瓷基复合材料的面内剪切性能及损伤研究

采用IOSIPESCU纯剪切试件, 考虑纤维的编织结构和失效机理, 研究了三维机织碳/碳化硅(C/SiC)复合材料在面内剪切载荷作用下的力学性能和损伤过程. 材料具有明显的非线性应力-应变行为和残余变形等特性. 材料主要的损伤机制为基体微裂纹开裂, 界面脱粘和纤维断裂, 其中界面裂纹是材料应力-应变等力学行为的主要影响因素. 基于连续介质损伤力学分析方法, 提出了简单的损伤演化模型并对损伤演化过程进行了描述.     

2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型

基于连续损伤力学建立了一种包含拉伸与剪切损伤变量的2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型。分别开展了拉伸和剪切试验,获得应力-应变曲线,并通过拟合试验曲线获得各损伤变量的演化参数。采用子程序技术将本构模型嵌入商用有限元软件ANSYS,应用有限元法计算了材料的应力-应变曲线。考虑了拉剪损伤耦合效应,计算了偏轴拉伸情况下的应力-应变曲线。结果表明:沿经纱拉伸、沿纬纱拉伸以及面内剪切的应力-应变曲线与试验结果吻合,最大偏差依次为4.30%、3.09%及3.73%;偏轴拉伸计算与试验应力-应变曲线也吻合较好。      

C/SiC复合材料结构件热模态模型建模和修正方法

C/SiC材料是一种热的不良导体，在防热隔热领域具有重要的潜在应用前景。本文开展了C/SiC结构件的有限元模型修正方法研究。在热弹性理论的基础上推导了各向异性材料的应力-应变关系，建立了C/SiC复合材料层板在高热流密度条件下的系统泛函。建立了考虑温度效应的C/SiC复合材料结构的动力学有限元模型。提出了基于多层级思想的C/SiC复合材料结构模型修正方法。以模态频率差值最小为修正目标，复合材料力学、热学参数为修正变量，开展模型修正。模型修正结果表明，本文提出的方法具有良好的修正效果，能够准确修正结构热环境下的复合材料参数及边界条件。     

碳化硅晶须增强铝基复合材料热残余应力的宏观特征

采用Ｘ射线宏观应力测试方法，测量ＳｉＣｗ／ＬＤ２复合材料的热残余应力，应用盲孔及电阻应变片技术，研究热残余应力对宏观应变释放的影响。结果表明，热残余应力在材料表面呈三向拉应力状态，且不能引进宏观应变释放，是伪宏残余应力。冷处理可降低复合材料的热残余应力。     

考虑纤维随机分布的复合材料热残余应力分析及其对横向力学性能的影响

建立了考虑纤维随机分布并包含界面的复合材料微观力学数值模型,模拟玻璃纤维/环氧复合材料固化过程中的热残余应力。通过与纤维周期性分布模型的计算结果进行对比,发现纤维分布形式会对复合材料的热残余应力产生重要影响,纤维随机分布情况下的最大热残余应力明显大于纤维周期性分布的情况下。研究了含热残余应力的复合材料在横向拉伸与压缩载荷下的损伤和破坏过程,结果表明:热残余应力的存在显著影响了复合材料的损伤起始位置和扩展路径,削弱了复合材料的横向拉伸和压缩强度。在横向拉伸载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度有所下降,断裂应变显著降低;在横向压缩载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度略有下降,但失效应变基本保持不变。由于热残余应力的影响,复合材料的横向拉伸和压缩强度分别下降了10.5%和5.2%。      

2D-SiC/SiC复合材料拉伸加卸载行为

为了研究国产2D-SiC/SiC复合材料的拉伸损伤行为以及低周循环载荷作用下的力学性能,通过试验和建立加卸载细观力学模型,对其拉伸加卸载行为进行了探讨。建立了单向连续纤维增强陶瓷基复合材料加卸载细观力学模型,得到了初始加载、卸载和重新加载时的应力-应变关系;利用断裂统计方法得到了基体裂纹数随应力变化的关系和复合材料失效判断条件。经过应力转化,将该模型应用于国产二维编织SiC/SiC复合材料。对单向加载试件,采用正交试验方法和最小二乘法得到基体Weibull模量和界面剪切阻力,通过控制材料失效强度与试验结果一致,得到纤维Weibull模量。由上述参数确定的2D-SiC/SiC复合材料拉伸循环加卸载应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。通过Matlab编程得到2D-SiC/SiC复合材料单向加载时基体开裂过程图。结果表明,2D-SiC/SiC复合材料失效时,基体裂纹分布相对比较均匀;基体裂纹数随应力单调增加,未出现持平段,表明材料失效时,基体裂纹还没有达到饱和。     

2D-C/ SiC 复合材料的宏观拉压特性和失效模式

通过拉伸、压缩实验, 从宏观上研究了平纹编织C/ SiC 复合材料在简单载荷作用下模量、残余应变及泊松比的变化。通过断口观察, 分析了材料在面内拉、压载荷作用下的损伤与失效模式。实验结果表明, 拉伸载荷作用下, 材料在低应力就开始损伤。0°纤维束表面基体开裂和层间裂纹是主要损伤形式。损伤后, 随着应力增加, 拉伸卸载模量、泊松比线性减小, 残余应变增加; 压缩应力-应变基本呈直线关系, 模量、泊松比基本不变。拉伸破坏表现为韧性断裂, 断裂机理为分层后0°纤维束的断裂、携带90°纤维束拔出; 压缩破坏形成一个与加载方向成13°的断裂平面, 破坏机理为层间裂纹、0°/ 90°纤维束之间裂纹和90°纤维束内裂纹的产生和迅速扩展、最后0°纤维束剪切断裂。      

二维编织陶瓷基复合材料偏轴拉伸力学性能预测

基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型,通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度,然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算,并引入Tsai-Wu失效准则,考虑不同失效模式的损伤,建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型,模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型,阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型的有效性,为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。     

热残余应力对C/SiC复合材料界面剪切强度影响的有限元分析

根据C/SiC复合材料的属性,建立单纤维顶出的二维轴对称模型,采用有限元法对C/SiC复合材料的界面剪切强度进行数值研究,分析中考虑材料制备过程中的残余应力对界面剪切强度的影响,在细观力学层面上系统分析纤维顶出过程的界面剪应力及其相关影响因素。分析得出,残余应力会对界面造成损伤,降低界面脱粘载荷。材料的界面承受能力与热膨胀系数呈正相关,与固化温度呈负相关。     

基于应变能耗散的复合材料层合板面内缺口强度分析CDM模型

基于伴随能量释放的渐进损伤演化思想,建立了复合材料层合板面内失效分析的连续介质损伤力学（CDM）分析模型,该模型包含损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3个方面。基于CDM模型,通过引入损伤状态变量表征损伤,建立了平面应力状态下的材料损伤本构模型。采用损伤参量 f_E改写Hashin准则,以判定损伤的起始。损伤演化由特征长度内的应变能释放密度控制,建立了损伤状态变量关于等效应变的渐进损伤演化法则。模型中还同时考虑了面内剪切非线性和网格敏感性,并进行了对比分析。对含缺口的[90/0/±45]_3s和[（±θ）₄]_s 2类典型复合材料层合板的面内拉伸失效进行了分析,结果表明,本文中的模型能有效预测复合材料层合板的面内拉伸强度。     

2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。     

颗粒增强复合材料刚塑性细观损伤本构模型的验证

验证已建立的刚性颗粒增强复合材料刚塑性细观损伤本构理论的合理性和可靠性。将上述本构理论的数值计算结果与SiC颗粒增强的铝基复合材料单轴拉伸实验结果进行比较。结果表明:由此本构模型得到的应力-应变理论曲线与拉伸实验所得的应力-应变曲线基本吻合,从而验证了该本构模型的合理性和可靠性。因此已建立的刚塑性细观损伤本构模型可用于数值计算,在一定程度上可预测颗粒增强复合材料的力学特性。在此基础上对大、小颗粒增强复合材料的延展性、空洞和颗粒体积分数演化规律等作了讨论。      

高体积分数 SiC P / Al复合材料的拉伸、 压缩与弯曲特性

对高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiC P/ Al)复合材料的拉伸、 压缩和三点弯曲特性进行了实验研究。结果表明 : 高体积分数 SiC P/ Al 复合材料与低体积分数 SiC P/ Al复合材料相比 , 没有明显的线性屈服阶段。进一步的加载2卸载实验表明 , 在外载荷作用下 , 材料宏观上呈现一种类似金属材料的塑性 , 卸载后留有较大的残余应变 , 再次加载时沿上次卸载路线上升 , 而且拉应力导致的残余应变大于压应力。三点弯曲时材料内部产生残余塑性变形的潜力最大 , 切线模量更稳定。宏观断口分析表明 , 金属基体的非均匀分布导致产生局部渐进的微屈服 ,是使材料性能宏观上类似塑性材料的主要原因。制备过程中的残余应力和基体内部的微缺陷是拉应力比压应力产生更大残余应变的主要原因。     

2D-C/SiC复合材料低温动态Z向压缩性能

采用Hopkinson压杆试验装置,对2D-C/SiC复合材料进行了低温条件下的Z向动态压缩性能试验研究,低温条件通过控制酒精和液氮的配比系数得到,通过改变波形整形器几何尺寸的方法来实现恒应变率加载,以得到准确、可信的试验结果。试验结果表明: 由于复合材料内部含有大量初始微缺陷,2D-C/SiC复合材料在低温动态加载条件下呈现伪塑性行为,其破坏时并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度时出现了显著的应变软化现象,在经历了较大的变形后才最终破坏。随着温度的降低,复合材料的动态Z向压缩强度增加,但失效应变减小。2D-C/SiC复合材料在低温环境下,其内部纤维和基体之间界面结合力增强,同时强的界面结合力可以导致高的压缩强度。     

平纹编织SiC/SiC复合材料多尺度建模及强度预测

连续SiC纤维增强SiC基体复合材料（SiC/SiC）具有优异的高温力学性能、辐照稳定性及较低的氚渗透率,在核工程结构领域具有良好的应用前景,掌握其承载状态下的损伤演化和强度性能,对SiC/SiC复合材料的应用具有重要指导意义。本文基于平纹编织SiC/SiC复合材料的制备过程和组分材料分布的多尺度特性,考虑复合材料微观结构的局部近似周期性,建立了纤维丝尺度和纤维束尺度单胞模型。使用有限元分析软件对纤维丝尺度模型的弹性性能和强度性能进行预测,将这些性能参数代入纤维束尺度模型,引入Tsai-Wu失效准则,根据材料的不同失效模式并对失效单元进行方向性刚度折减,模拟了平纹编织SiC/SiC复合材料在单轴拉伸载荷下的渐进损伤过程。数值模拟曲线与试验曲线吻合较好,实现了对平纹编织SiC/SiC复合材料强度的有效预测。      

针刺C/SiC复合材料应力-应变模型及试验验证

研究了室温下针刺C/SiC复合材料的静拉伸应力-应变行为。基于显微CT技术重构的微观型貌,选取恰当的代表体积单元,建立了针刺C/SiC复合材料应力-应变性能预测的单胞模型。基于可实现任意加卸载下单向纤维增强C/SiC复合材料应力-应变计算的界面摩擦模型,由材料的细观组分性能计算出单向纤维束层的应力-应变响应,然后将单向纤维束层的应力-应变响应代入到单胞模型中,通过有限元法计算得到针刺C/SiC复合材料的整体应力-应变响应。进行了针刺C/SiC复合材料静拉伸试验,测得材料的应力-应变响应,计算结果与试验吻合较好。