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。     

正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场。采用断裂力学方法、 临界基体应变能准则、 应变能释放率准则及Curtin统计模型4种单一失效模型确定了90°铺层横向裂纹间距、 0°铺层基体裂纹间距、 纤维/基体界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与4种单一损伤模型结合, 对各损伤阶段应力-应变曲线进行了模拟, 建立了复合材料强韧性预测模型。与室温下正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变曲线进行了对比, 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。分析了90°铺层横向断裂能、 0°铺层纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能、 纤维Weibull模量对复合材料损伤及拉伸应力-应变曲线的影响。      

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。      

单向C/SiC陶瓷基复合材料基体失效机制与强度预测

采用细观力学方法对单向C/SiC陶瓷基复合材料的基体失效机制进行了研究。利用剪滞理论模型和临界基体应变能(CMSE)准则预测了C/SiC陶瓷基复合材料受拉时基体开裂失效过程,获得了单向C/SiC陶瓷基复合材料基体开裂段的应力-应变曲线。并将扩展有限元法(XFEM)用于该开裂过程的模拟,得到了对应的应力-应变曲线。研究结果表明,采用剪滞理论模型、CMSE和采用XFEM得到的计算结果与相关的实验结果三者能较好地吻合,证明了计算方法的有效性。     

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。      

2D-SiC/SiC复合材料损伤耦合力学行为

基于轴向和45°偏轴加载实验,分别获得2D-SiC/SiC复合材料在单一轴向应力和复合应力状态下纤维束轴向方向上的拉伸、压缩和面内剪切应力-应变行为,计算分析材料在复合应力状态下的损伤耦合力学行为。结果表明,在45°偏轴拉伸和压缩复合应力状态下材料损伤耦合力学行为的起始应力分别约为40MPa和-100MPa。复合应力状态下材料纤维束轴向方向上的拉伸损伤和面内剪切损伤进程间具有相互促进作用,面内剪切损伤对压缩损伤进程具有促进作用,但是压缩应力分量对面内剪切损伤进程具有明显的抑制作用;上述损伤耦合作用随着应力水平的增加而越发显著。由试件断口电镜扫描结果可知,复合应力状态下材料纤维束轴向方向上3个应力分量对材料内部0°/90°和45°3种取向基体裂纹开裂损伤进程的影响作用,是2D-SiC/SiC复合材料产生损伤耦合力学行为的主要细观损伤机制。     

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。     

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。      

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。     

界面脱粘对正交铺设SiC/CAS复合材料基体开裂的影响

采用细观力学方法研究了正交铺设SiC/CAS复合材料在单轴拉伸载荷作用下界面脱粘对基体开裂的影响。采用断裂力学界面脱粘准则确定了0°铺层纤维/基体界面脱粘长度, 结合能量平衡法得到了主裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式3)和次裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式5)的临界开裂应力, 讨论了纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能对基体开裂应力的影响。结果表明, 模式3和模式5的基体开裂应力随纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能的增加而增加。将这一结果与Chiang考虑界面脱粘对单向纤维增强陶瓷基复合材料初始基体开裂影响的试验研究结果进行对比表明, 该变化趋势与单向SiC增强玻璃陶瓷基复合材料的试验研究结果一致。     

Modeling Loading/Unloading Hysteresis Behavior of Unidirectional C/SiC Ceramic Matrix Composites

The loading/unloading tensile behavior of unidirectional C/SiC ceramic matrix composites at room temperature has been investigated. The loading/unloading stress–strain curve exhibits obvious hysteresis behavior. An approach to model the hysteresis loops of ceramic matrix composites including the effect of fiber failure during tensile loading has been developed. By adopting a shear-lag model which includes the matrix shear deformation in the bonded region and friction in the debonded region, the matrix cracking space and interface debonded length are obtained by matrix statistical cracking model and fracture mechanics interface debonded criterion. The two-parameter Weibull model is used to describe the fiber strength distribution. The stress carried by the intact and fracture fibers on the matrix crack plane during unloading and subsequent reloading is determined by the Global Load Sharing criterion. Based on the damage mechanisms of fiber sliding relative to matrix during unloading and subsequent reloading, the unloading interface reverse slip length and reloading interface new slip length are obtained by the fracture mechanics approach. The hysteresis loops of unidirectional C/SiC ceramic matrix composites corresponding to different stress have been predicted.     

Modeling hysteresis behavior of cross-ply C/SiC ceramic matrix composites

In this paper, the loading/unloading tensile behavior of cross-ply C/SiC ceramic matrix composites at room temperature has been investigated. The loading/unloading stress–strain curve exhibits obvious hysteresis behavior. An approach to model the hysteresis loops of cross-ply ceranic matrix composites including the effect of matrix cracking has been developed. Based on the damage mechanisms of fiber sliding relative to matrix during unloading and subsequent reloading, the unloading interface reverse slip length and reloading interface new slip length of different matrix cracking modes are obtained by the fracture mechanics approach. The hysteresis loops of cross-ply C/SiC ceramic matrix composites corresponding to different peak stresses have been predicted.     

UD-Cf/SiC陶瓷基复合材料的高温拉伸性能

采用两种形状(纺锤形、矩形)的拉伸试样对热压单向M40JB-C_f/SiC和T800-C_f/SiC复合材料进行了高温拉伸强度测试,得到了C_f/SiC复合材料的拉伸强度,并对纺锤形试样断裂应变的表达式进行修正,得出了复合材料的弹性模量。M40JB-C_f/SiC复合材料1300℃的拉伸强度及模量分别为374 MPa和134 GPa, 1450 ℃的拉伸强度及模量为338 MPa和116 GPa,T800-C_f/SiC复合材料1300 ℃拉伸强度和模量为392 MPa 和115 GPa。测试结果与试样的断裂方式密切相关,在有效部位断裂的测试结果大于在非有效区断裂的测试结果。M40JB-C_f/SiC复合材料的拉伸断裂应力-应变曲线表现出塑性变形的非线弹性破坏特征,而T800-C_f/SiC主要表现为线弹性特征。      

Mechanical behavior of SiC fiber reinforced brittle-matrix composites

The failure process of unidirectional BN-coated HI-NICALON^TM SiC fiber reinforced glass matrix composites was examined under tensile loading. In situ observation of the mean matrix crack interval was conducted by the replica observation during tensile testing. Axisymmetric cylindrical models extended to the system considering the strength distribution of fibers were proposed to predict the whole stress-strain curve for comparison with the experimental results.