单纤维VS复合物纤维应力传递

纤维复合材料的力学特性很大程度上依赖于纤维和基体的应力传递。本文建立了单纤维和复合物纤维平面拉伸轴对称有限元模型，它考察了纤维拉伸时伴随基体破裂、界面分离以及基体破裂与界面分离同时发生时的应力传递特性，计算结果给出具有参考价值的有益结论。     

短纤维聚合复合材料—增强纤维的断裂基础理论

增强纤维与聚合物间的相界面比较脆弱，并不按发展的复合材料强度标准理论所认为的那样表现其行为，而且这种理论预测了线型短纤维复合材料的应力－应变曲线。然而，这方面的证据并不能令人信服，而且有一些新的证据还说明应力－应变曲线为直线。于后，后来这种方法被放弃并转而考虑其易碎性和突然断裂性，本文涉及了这方面的证据并介绍一种新方法，其中包括复合材料中纤维末端应力集中处微裂缝的发展。由于这种断裂引发可以在许多地     

单向纤维增强陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对单向纤维增强陶瓷基复合材料的单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用Budiansky-Hutchinson-Evans（BHE）剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场,结合临界基体应变能准则、应变能释放率准则以及Curtin统计模型三种单一失效模型分别描述陶瓷基复合材料基体开裂、界面脱粘以及纤维失效三种损伤机制,确定了基体裂纹间隔、界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与3种单一失效模型相结合,对各个损伤阶段的应力-应变曲线进行模拟,建立了准确的复合材料强韧性预测模型,并讨论了界面参数和纤维韦布尔模量对复合材料损伤以及应力-应变曲线的影响。与室温下陶瓷基复合材料单轴拉伸试验数据进行了对比,各个损伤阶段的应力-应变、失效强度及应变与试验数据吻合较好。     

增强相周期分布的多涂层纤维复合材料反平面问题的解析方法

采用增强纤维周期分布模型,通过引入非均匀的本征应变并结合双准周期Riemann边值问题理论,将非均匀介质问题转化为均匀介质的周期本征应变问题,获得了反平面载荷作用下多涂层纤维复合材料纤维、各涂层和基体中弹性场的解析解答。与有限元、广义自洽和渐进均匀化等方法的比较显示了该文方法的精度。讨论了涂层厚度和刚度等材料微结构参数对界面应力集中系数和有效反平面剪切模量的影响。该文为研究多涂层复合材料界面效应提供了一个有效的分析工具。     

含非均匀界面相纤维增强复合材料热传导性能预测的递推公式

研究了含非均匀界面相纤维增强复合材料的宏观等效传热性能。将热导率沿径向连续变化的界面相离散为多个热导率均匀的同心圆柱层,采用广义自洽法和复变函数理论,推导了复合材料宏观等效热导率的解析递推公式,并由递推公式给出了均匀界面相和理想零厚度界面的封闭公式。理想零厚度界面复合材料的热导率与已有理论结果一致。理想零厚度界面和非均匀界面相模型的计算结果与实验数据比较表明,当纤维体积分数较小时,2种模型的预测结果与实验数据吻合均较好,当体积分数较大时,与实验数据相比,非均匀界面相模型的精度大大高于理想零厚度界面模型的精度。本文中给出的递推公式亦可用于计算多涂层纤维增强复合材料的热导率。     

连续石墨纤维增强铝基复合材料准静态拉伸损伤演化与断裂力学行为

针对连续石墨纤维增强铝基(CF/Al)复合材料,采用三种纤维排布方式的代表体积单元(RVE)建立了其细观力学有限元模型,采用准静态拉伸试验与数值模拟结合的方法,研究了其在轴向拉伸载荷下的渐进损伤与断裂力学行为。结果表明,采用基体合金和纤维原位力学性能建立的细观力学有限元模型,对轴向拉伸弹性模量和极限强度的计算结果与实验结果吻合良好,而断裂应变计算值较实验结果偏低。轴向拉伸变形中首先出现界面和基体合金损伤现象,随应变增加界面发生失效并诱发基体合金的局部失效,最后复合材料因纤维发生失效而破坏,从而出现界面脱粘后纤维拔出与基体合金撕裂共存的微观形貌。细观力学有限元分析结果表明,在复合材料制备后纤维性能衰减而强度较低条件下,改变界面强度和刚度对复合材料轴向拉伸弹塑性力学行为的影响较小,复合材料中纤维强度水平是决定该复合材料轴向拉伸力学性能的主要因素。     

单纤维复合材料模型试样阻尼实验研究

本文首次采用单纤维增强的铝基丝状复合材料定量化地研究了复合材料界面的阻尼行为.对所采用的三种金属纤维复合试样的研究表明,复合材料对于应变幅的非线性变化来自纤维与基体界面,与基体组织特性无关.该结果对复合材料阻尼特性的设计具有参考意义.     

碳化硅纤维增强铝基复合材料的界面组织研究EI

本文利用透射电子显微术（ＴＥＭ）和微区能谱分析（ＥＤＸ）对化学气相沉积碳化硅纤维增强ＬＤ２铝合金的界面结构进行了研究，并对显微组织与性能的关系进行了讨论。结果发现，用热压扩散工艺生产的ＳｉＣ／Ａｌ复合材料，其基体与ＳｉＣ纤维结合良好。界面处有棒状相Ａｌ＿４Ｃ＿３生成（该相是菱形结构，对纤维强度有较大破坏作用），且存在镁元素富集。     

单宁酸协同改性超高分子量聚乙烯纤维与环氧树脂复合材料

将单宁酸共混改性的环氧树脂与单宁酸-金属Na~+络合改性超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维进行复合,从而改善了UHMWPE纤维与环氧树脂的界面强度,提高了纤维增强复合材料的整体性能。改性后纤维表面的单宁酸与树脂基体中的单宁酸在界面处形成"桥联"作用。单宁酸共混改性环氧树脂是为了在环氧树脂中引入羟基以增强其力学强度。结果表明,当单宁酸在环氧树脂中的负载量为1%时,树脂基体的拉伸强度、弯曲强度达到最大值,分别为55.41 MPa, 74.24 MPa,与纯环氧树脂相比分别提高了67.5%和63.5%。同时界面剪切强度达到2.22 MPa,与原复合材料相比提高了64.8%。纵向纤维束使环氧树脂复合材料的拉伸强度增加到89.52 MPa,弯曲强度达到118.82 MPa,与纯复合材料相比,分别提高了120.2%,47.3%。通过扫描电镜图分析可以得出,纤维增强复合材料的破坏方式为黏接剂破坏。     

界面对双向纤维增强复合材料力学性能的影响

基于均匀化理论与有限元方法,针对双向连续纤维增强复合材料(CBFRC),建立了微观代表体积单元(RVE)模型,并预测了界面对CBFRC宏观等效力学性能的影响。在建立的RVE模型中,采用表面内聚力本构关系描述纤维/基体之间的界面。研究结果表明:不同界面刚度下,CBFRC中的基体发生不同形式的初始损伤。与界面断裂能相比,界面刚度和界面强度对CBFRC面外抗拉强度的影响较大,而对CBFRC面内抗拉强度的影响较小,且界面的存在会降低CBFRC整体的抗拉强度。随着纤维体积分数的增加,CBFRC面内的抗拉强度也随之急剧增加,但CBFRC的面外抗拉强度反而有减小的趋势。本文中所提出的方法能够简单有效地对实际复杂的三维纤维增强复合材料进行优化设计。     

纤维增强复合材料本构模型研究进展

本文对纤维增强复合材料的本构模型最新研究成果进行简要阐述和归纳,并结合实例进行了相关数值模拟计算。文中阐述的复合材料为纤维增强树脂复合材料、纤维增强金属基复合材料和纤维编织复合材料。目前,关于纤维增强金属基复合材料的研究较少,大多数研究集中在纤维增强树脂复合材料和纤维编织复合材料。许多学者在经典弹性本构模型和连续介质力学基础上,推导出了一些弹塑性、粘弹性和考虑损伤的非线性本构模型。通过实例计算结果表明,考虑损伤导致刚度退化的复合材料弹塑性本构模型计算得到的拉伸应力应变曲线与测试结果基本一致。本文通过对复合材料本构模型的最新研究成果的归纳和数值模拟实例计算,为后续研究工作提供借鉴,推动其在实际工程中的应用。     

SiC纤维补强微晶玻璃基复合材料的界面结合

本文通过ＳｉＣ纤维对ＬＣＡＳ（Ｌｉ２Ｏ－ＣａＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２）和ＭＡＳ（ＭｇＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２）微晶玻璃的补强，观察和分析了在不同复合系统中纤维与基体的界面结合。在ＳｉＣ纤维／ＬＣＡＳ微晶玻璃复合系统中，发现纤维与基体之间有一中间界面层，它主要是在复合材料的烧结过程中通过扩散形成，并且于１２００℃时在界面上形成富Ｃ层。ＳｉＣ纤维／ＭＡＳ微晶玻璃基复合材料由于在烧结过程中有化学反应发生     

高强型聚酰亚胺纤维增强热塑性树脂基复合材料防弹性能研究

采用S35高强型聚酰亚胺(PI)纤维作为增强体，热塑性树脂作为基体，采用热压工艺制备了织物结构和正交单向无纬(UD)结构复合材料靶板，通过弹道极限速度测试和背部变形测试，研究了增强体结构和界面结合强度对PI纤维增强热塑性树脂基复合材料防弹性能的影响。结果表明：高强型聚酰亚胺纤维表现出了优异的防弹性能；UD结构靶板更适用于防铅芯弹；织物结构靶板更适用于防破片；当界面剥离强度由5.45N/cm提高到26.44N/cm时，剥离后界面处的纤维表面形貌的破坏程度逐渐增加。当侵彻体为5.6g铅芯弹时，随着界面剥离强度的提高，复合材料靶板的防弹性能呈现出先提高后降低的趋势；并且靶板的背部变形逐渐减小，进一步证明了界面结合强度对复合材料靶板防弹性能的影响。     

界面相性态对纤维增强复合材料内应力传递的影响

本文用有限元法研究了具有基体裂纹的纤维增强复合材料内的应力传递问题。假设纤维与基体的界面为非理想的，文中运用“弹簧层”模型首先分析了在不同的组分弹性模量比、纤维体积含量与边界约束条件下，界面相性态对复合材料的应力传宾影响，然后进一步考察了在几种典型的损伤模式下界面附近的应力分布情况。     

颗粒增强金属基复合材料中界面附近位移场测量的探索

本文采用数字散斑相关法对高能超声法制备的颗粒增强金属基复合材料在拉伸变形过程中颗粒与基体的界面处的位移进行了测量与分析，。实验结果表明，界面处所发生的位移变化要大于颗粒和基体内部所发生的位移，说明在颗粒与基体合金的界面处存在着导致应变集中的缺陷，从而导致了颗粒增强金属基复合材料失效过程中常常出现颗粒与基体在界面处脱粘的损伤形式。     

金属基复合材料中增强纤维表面涂层研究现状

增强纤维与基体间的界面对金属基复合材料的性质起着重要的作用,纤维表面涂层法是解决纤维增强金属基复合材料界面问题的有效途径之一。针对纤维表面涂层的选取原则、分类及制备工艺,综述了金属基复合材料的界面稳定性及综合性能的影响。     

考虑界面时细观几何结构对复合材料力学性能的影响

基于应力为未知量的通用单胞模型改进算法在保证计算精度的前提下,可以提高计算效率,本文利用该方法计算了考虑界面时细观结构对纤维增强复合材料力学性能的影响.计算结果表明,当界面结合较差时,必须考虑界面性能对复合材料的影响;当界面模量接近或等于基体的模量时,已满足界面结合完好的条件,因此可不考虑界面对复合材料的影响;界面对复合材料的弹性模量、泊松比以及应力-应变曲线的影响较大,因此,界面是复合材料力学性能预测中不可忽略的重要环节.同时,纤维截面形状及排列方式对复合材料宏观的力学性能影响较大.     

界面相性态对纤维增强复合材料内应力传递的影响

本文用有限元方法,计算分析了办面相性态对纤维增强复合材料内纤维与机体的界面间应力传递的影响。分析结果表明,界面刚度系数是纤维增强复合材料内纤维与机体的界面间应力传递的主要影响因素。     

纤维增强复合材料界面疲劳裂纹扩展的模拟研究

脱粘是纤维增强复合材料界面裂纹扩展的主要表现形式。基于剪切筒模型和常用的实验加载方式,研究了纤维增强复合材料中纤维与基体界面在拉-拉循环荷载作用下的裂纹扩展。借助描述疲劳裂纹扩展的Paris公式,得到了疲劳裂纹扩展速率、扩展长度以及界面上摩擦系数与加载次数的关系。在分析中,考虑了疲劳加载引起的脱粘界面的损伤及损伤分布的不均匀性,同时还考虑了材料的泊松效应。     

磷酸处理芳纶纤维的缠绕环氧树脂基体

在用磷酸(PA)溶液处理芳纶纤维的基础上, 系统研究了适用于制备高性能芳纶纤维增强复合材料的缠绕环氧树脂基体, 测试了复合材料的力学性能和热机械性能, 讨论了树脂基体对芳纶纤维增强复合材料界面性能的影响。结果表明: 经过磷酸溶液处理的芳纶纤维表面存在一定量的极性官能团, 与缩水甘油酯类环氧树脂有良好的界面相容性; 经过优化的树脂体系其芳纶纤维增强复合材料的NOL环(Naval Ordnance Laboratory Ring)纤维强度转化率达到95％, 层间剪切强度(ILSS)达到79MPa, 界面剪切强度(IFSS)达到76MPa, 具有较好的界面性能。