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。     

应用桥联模型预测复合材料吸湿老化剩余强度

采用试验与理论相结合的方法, 研究了玻璃纤维/环氧树脂复合材料的吸湿老化剩余强度, 测试了基体的吸湿性能, 对老化前后基体、 纤维及其复合材料的拉伸性能进行了试验研究。根据纤维和基体性能测试数据, 应用桥联模型计算了复合材料的吸湿老化剩余强度, 计算结果与试验结果一致。结果显示: 在小吸湿率条件下, 利用桥联模型能够准确预测复合材料的破坏演化规律及其最大剩余强度。当主承力层破坏由纤维控制时, 由湿老化引起的纤维强度的下降直接导致复合材料最大拉伸强度的下降; 当破坏由基体控制时, 影响复合材料吸湿剩余强度的主要因素是基体硬化及强度的下降。较小吸湿率对纤维与基体的界面粘结强度影响有限, 界面破坏不是层合板破坏的主要因素。      

SiC(CVD)/Al复合材料界面剪切强度的测试

本文利用声发射技术,成功地测出 SiC(CVD)单纤维增强 Al 基复合材料在拉伸过程中纤维的平均断裂长度,并由萃取纤维的方法加以验证。再用微观力学模型,计算出纤维与基体之间的界面剪切强度。     

SiC（CVD）／Al复合材料界面剪切强度的测试

本文利用声发射技术，成功地测出ＳｉＣ（ＣＶＤ）单纤维增强Ａｌ基复合材料在拉伸过程中纤维的平均断裂长度，并由萃取纤维的方法加以验证。再用微观力学模型，计算出纤维与基体之间的界面剪切强度。     

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。     

国产碳纤维增强树脂基复合材料应变不变量性能

应变不变量失效理论是一种新型的基于物理失效模式的复合材料强度理论, 广泛应用于复合材料结构失效分析。根据该理论, 建立了碳纤维增强树脂基复合材料微观力学模型, 获取树脂基体和纤维不同位置的机械应变放大系数和热应变放大系数。对国产复合材料CCF300/5228、CCF300/5428和T700/5428不同铺层角单向层合板进行拉伸试验, 并根据试验结果得到对应复合材料的应变不变量性能。分析了增强体纤维和树脂基体对复合材料应变不变量性能的影响; 并将应变不变量失效理论应用于国产复合材料失效分析。结果表明碳纤维增强树脂基复合材料应变不变量性能中的第一应变不变量和基体Von-Mises应变临界值取决于树脂, 而纤维Von-Mises应变临界值取决于增强体纤维; 应变不变量失效理论能够用于国产复合材料失效分析。      

基于纤维束/环氧树脂复合材料试验的单向层合板横向拉伸强度预测方法

实验研究表明,纤维束/环氧树脂复合材料试件的横向拉伸强度与工程上常用的单向层合板横向拉伸强度在趋势上具有很好的相关性,但是数值上存在一定差距。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了三种纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板,并分别测量了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度,以及环氧基体的拉伸强度。在实验基础上,应用Griffith断裂强度理论建立了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度的关系模型,通过两种复合材料实验的结果拟合了该模型中的参数。利用第三种复合材料实验进行校验,发现该模型预测的单向层合板横向拉伸强度与实测强度之间达到很好的一致性,相对偏差为9%。采用本文提出的方法,可以用较为简单的纤维束/环氧树脂复合材料和环氧基体拉伸试验预测单向层合板的横向拉伸强度。     

基于宏微观分析的碳纤维增强高分子复合材料强度性能表征

微观力学强度理论(MMF)是一种新型的基于物理失效模式的复合材料强度理论。通过对碳纤维/树脂(UTS50/E51)复合材料单向层合板进行纵向、横向静载拉伸、压缩和弯曲试验, 得到层合板的基本力学性能和宏观强度指标。建立了碳纤维增强树脂基复合材料微观力学模型, 获取树脂基体和纤维不同位置的机械载荷应力放大系数和热载荷应力放大系数。结合获取的应力放大系数及试验测得的单向层合板宏观强度, 计算出层合板组分的MMF强度特征值。绘制了基于MMF强度理论的层合板破坏包络线, 并与Tsai-Wu失效准则预测结果进行对比。实现了对UTS50/E51层合板MMF强度特征值的表征。     

基于响应曲面法的木塑复合材料强度分析及挤出工艺优化

以杨木纤维(WF)为增强材料,以高密度聚乙烯(HDPE)为基体,马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)为偶联剂,采用熔融挤出法制备了WF/HDPE复合材料。选取WF含量、偶联剂添加量、挤出温度为自变量,试件的抗冲击强度、弯曲强度、拉伸强度为响应值,采用Box-Behnken Design方法设计实验并利用响应曲面法建立WF/HDPE复合材料力学强度的二次多项数学模型,对WF/HDPE复合材料的挤出工艺进行优化设计。结果表明,WF添加量、MAPE添加量和挤出温度的最佳水平为:47.37wt%、4.23wt%、173.69℃,此时WF/HDPE复合材料的抗冲击强度为4.06 kJ·m?2,弯曲强度为43.79 MPa,拉伸强度为28.59 MPa。模型预测值与实测值误差小于5%,较好地反映了WF/HDPE复合材料力学性能与挤出工艺因素间的关系。      

芳纶纤维复合材料界面粘结性能研究

为了改善芳纶纤维复合材料的界面粘结性能,从自制树脂基体入手,针对芳纶纤维的结构特点,合成了一种新型树脂(AFR)作为基体,制备了芳纶/AFR复合材料.通过宏观力学、微观力学以及接触角测试等方法研究了AFR树脂与芳纶纤维之间的界面粘结性能.结果表明:AFR树脂对芳纶纤维的浸润性好,单丝拔出强度高,复合材料的横向拉伸强度及层间剪切强度高,这说明芳纶纤维与AFR树脂之间具有良好的界面粘结性能.     

玻璃纤维含量对竹粉/高密度聚乙烯复合材料性能的影响

为利用玻璃纤维提高木塑复合材料的综合性能,探讨玻璃纤维含量对竹粉/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料性能的影响规律,首先,采用A-171硅烷偶联剂对竹粉表面进行了改性,并加入了一定量的玻璃纤维;然后,采用热压成型工艺制备了玻璃纤维-竹粉/HDPE复合材料;最后,考察了玻璃纤维含量对复合材料力学性能、热学性能及摩擦学性能的影响,并利用SEM观察材料的断面和磨损表面形貌。结果表明:当玻璃纤维含量为3wt%时,能显著提高竹粉/HDPE复合材料的拉伸强度和弯曲强度,与未添加玻璃纤维的复合材料相比,添加玻璃纤维后复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别提高了19.41%和23.54%;在30~60℃温度范围内,复合材料长度-宽度方向上的线膨胀系数随着玻璃纤维含量的增加而明显减小,而同一复合材料的线膨胀系数随温度的升高而逐步增大;在氮气气氛下,随玻璃纤维含量的增加,竹粉/HDPE复合材料的摩擦系数先逐渐增大,而后基本保持不变,磨损率逐渐减小。所得结论显示玻璃纤维含量为3wt%~7wt%的木塑产品适用于建筑横梁(如凉亭或桥梁等),而玻璃纤维含量为7wt%~10wt%的木塑产品适用于高人流量场所(如公园或休闲绿道等)的地面铺装。      

连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度预测模型的发展及其影响因素

基于高强、高韧、高模和压拉平衡为特征的第三代先进复合材料的需求,综述了连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度预测模型的发展历程。基于纤维微屈曲、纤维扭结带、联合预测模型及渐进损伤失效模型,分别讨论了连续纤维增强树脂复合材料压缩失效机制,并在联合预测模型基础上,探究了碳纤维（直径、模量、体积分数、初始偏角）、树脂基体（弹性模量、剪切模量）及纤维/树脂界面三要素对连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度和压缩失效形式的影响。      

Fabrication and mechanical properties of aramid/nylon plain knitted composites

The presence of fibre/matrix interfaces strongly influences the overall mechanical properties of composites. In order to produce fully recyclable fiber reinforced composites with improved adhesion properties, polyethylene and polypropylene materials were previously used as single-polymer composite materials. In this paper, another breed of single-polymer composite material has been defined as the ‘one-unity’ composite. Polyamide materials were chosen and combined with aramid fibre in an attempt to achieve better interfacial bonding. Weft-knitting technique was used to produce textile reinforcements for aramid/nylon composite processing. Aramid/epoxy knitted composites were also fabricated to compare them with aramid/nylon thermoplastic composites. Mechanical properties of aramid/nylon and aramid/epoxy composites and their relationships to the fibre/matrix interfacial adhesion and interactions have been investigated. With the increase in processing time, tensile modulus and strength of aramid/nylon composites have increased and decreased, respectively. Furthermore, scanning electron microscopic observations clearly indicated that longer molding time has resulted in stronger adhesion property between fiber and matrix. Aramid/nylon knitted composites have revealed comparable strength property in the course direction, albeit they have inferior tensile strength in the wale direction when compared to that in aramid/epoxy composites. In aramid/nylon knitted composites, while tensile modulus exhibited an increasing trend, there were clear drops in tensile strengths with longer molding time. This indicates that there could be an optimum molding condition at which maximum tensile properties can be obtained. Aramid/nylon knitted composites exhibited relatively better interfacial bonding properties than Aramid/epoxy composites, which suffered fibre/matrix debonding.     

短切碳纤维表面处理对木粉/高密度聚乙烯复合材料性能的影响

木粉（WF）填充增强高密度聚乙烯（HDPE）复合材料具有良好的环境效益,少量引入短切碳纤维（SCF）可进一步提高其力学性能。为改善SCF与WF/HDPE复合材料中塑料基体的界面结合,提高SCF在WF/HDPE复合材料中的增强作用,采用气相、液相及气液双效氧化3种表面处理方式处理SCF,通过挤出工艺制备短切碳纤维增强木粉/高密度聚乙烯复合材料（SCF-WF/HDPE）,探讨了不同处理方法对SCF-WF/HDPE复合材料性能的影响。SEM观察显示,表面处理增大了SCF的表面粗糙度,可提高其与基体的界面结合;动态力学性能分析证实碳纤维提高了存储模量。测试结果表明：表面处理过的短切碳纤维可使SCF-WF/HDPE复合材料的力学性能、热力学性能和蠕变性能均得到显著提高,其中气相表面处理的效果最好。对比WF/HDPE复合材料,SCF-WF/HDPE的拉伸强度提高了34.5%,弯曲强度提高了23%,冲击强度提高了54.7%。     

A study of the mechanical properties of short natural-fiber reinforced composites

The degree of fiber–matrix adhesion and its effect on the mechanical reinforcement of short henequen fibers and a polyethylene matrix was studied. The surface treatments were: an alkali treatment, a silane coupling agent and the pre-impregnation process of the HDPE/xylene solution. The presence of Si–O–cellulose and Si–O–Si bonds on the lignocellulosic surface confirmed that the silane coupling agent was efficiently held on the fibres surface through both condensation with cellulose hydroxyl groups and self-condensation between silanol groups.

The fiber–matrix interface shear strength (IFSS) was used as an indicator of the fiber–matrix adhesion improvement, and also to determine a suitable value of fiber length in order to process the composite with relative ease. It was noticed that the IFSS observed for the different fiber surface treatments increased and such interface strength almost doubled only by changing the mechanical interaction and the chemical interactions between fiber and matrix.

HDPE-henequen fiber composite materials were prepared with a 20% v/v fiber content and the tensile, flexural and shear properties were studied. The comparison of tensile properties of the composites showed that the silane treatment and the matrix-resin pre-impregnation process of the fiber produced a significant increase in tensile strength, while the tensile modulus remained relatively unaffected. The increase in tensile strength was only possible when the henequen fibers were treated first with an alkaline solution. It was also shown that the silane treatment produced a significant increase in flexural strength while the flexural modulus also remained relatively unaffected. The shear properties of the composites also increased significantly, but, only when the henequen fibers were treated with the silane coupling agent. Scanning electron microscopy (SEM) studies of the composites failure surfaces also indicated that there is an improved adhesion between fiber and matrix. Examination of the failure surfaces also indicated differences in the interfacial failure mode. With increasing fiber–matrix adhesion the failure mode changed from interfacial failure and considerable fiber pull-out from the matrix for the untreated fiber to matrix yielding and fiber and matrix tearing for the alkaline, matrix-resin pre-impregnation and silane treated fibers.     

基体合金对连续M40石墨纤维/Al复合材料纤维损伤及断裂机制的影响

选用M40石墨纤维为增强体,采用真空气压浸渗法制备了纤维体积分数为40%,基体合金分别为ZL102、ZL114A、ZL205A及ZL301合金的连续M40/Al复合材料,并用NaOH溶液萃取出M40纤维,研究了基体合金对连续M40/Al复合材料纤维损伤和断裂机制的影响。结果表明:不同的基体合金对M40纤维造成的损伤差异较大,从M40/ZL301复合材料中萃取的纤维拉伸强度最高,其拉伸强度为1 686 MPa,约为纤维原丝拉伸强度的38.3%;而从M40/ZL102复合材料中萃取的纤维拉伸强度最低,其拉伸强度仅为687 MPa,且纤维表面粗糙程度不一。不同M40/Al复合材料的断裂机制存在明显差别,M40/ZL102和M40/ZL114A复合材料断裂时无纤维拔出及界面脱粘,裂纹横向穿过纤维导致复合材料在低应力下失效;M40/ZL205A复合材料则表现为少量纤维拔出,界面轻微脱粘;同时,M40/ZL301复合材料表现为大量纤维拔出,裂纹沿界面纵向扩展,界面脱粘明显,纤维充分发挥其承载作用,复合材料的拉伸强度最高,达到了670.2 MPa。      

弹道防护用超高分子量聚乙烯纤维增强热塑性树脂基复合材料的拉伸力学行为

以弹道防护用超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维增强热塑性树脂基复合材料作为研究对象,通过热压工艺制备单向正交结构的复合材料层压板。基于自主设计的拉伸试验装置,开展UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在宏观尺度和准细观尺度上的面内拉伸试验,研究其面内拉伸力学性能及失效模式。研究结果显示：弹道防护用UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在准细观尺度上的面内拉伸力学性能是其本征性能;随着偏轴角度的增加,拉伸断裂强度呈现指数型下降,这是由于失效模式由纤维的拉伸断裂破坏转变为纤维-树脂基体的界面破坏;此外,其在宏观尺度上的拉伸破坏强度比在准细观尺度上的拉伸断裂强度降低了50.52%,这是由于宏观尺度上的面内拉伸力学响应是其面内拉伸变形和层间分层破坏的耦合结果,即层压板的叠层效应。     

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。