Al2O3短纤维增强铝基复合材料的抗拉强度及影响因素

用挤压铸造法制备了Al2O3短纤维增强不同成分的铝基复合材料,测定了它们的抗拉强度.用SEM、TEM等观察了复合材料的断裂过程与界面状态.结果表明,复合材料中存在纤维断裂型、界面脱粘型与纤维断裂+界面脱粘混合型三种断裂类型.三种断裂类型对应三种不同的界面状态轻微反应型、细小化合物析出型和粗大化合物析出型.在此基础上分析了基体成分与断裂机制、界面及强度间的关系.     

细观力学模型预测复合材料横向强度性能研究

为了研究纤维增强复合材料在横向拉压载荷下的力学性能,采用细观力学有限元法与随机扰动法建立了表述复合材料微观结构的纤维随机分布代表性体积单元。对于界面脱粘与基体塑性变形这两种主要的损伤模式,分别用界面内聚力单元模型、基体Drucker-Prager弹塑性模型模拟,并结合塑性失效准则模拟基体的初始损伤与断裂,得出了材料在外载作用下的渐进损伤过程,并与试验结果进行了对比验证。此外,还总结了界面刚度、界面强度、界面断裂能等细观参数对损伤本构的影响规律。     

复合材料的断裂功

本文讨论了纤维增强复合材料断裂时的能量消耗即断裂功及其机制。单质固体的断裂功仅仅是由表面能决定的,而复合材料的断裂功不同于单质脆性固体,其总的断裂功与以下四方面有关:①纤维的拉出,②脱粘,③脱粘后的摩擦功,④表面能,复合材料的断裂韧性可以用断裂功来表征。     

织物复合材料分层损伤的原位研究

利用ＳＥＭ光学显微镜,原位观察在Ⅰ型动态加载下玻璃布增强ＰＣ复合材料层板的分层断裂过程。结果表明,Ⅰ型加载下,织物增强复合材料以理解纹扩展方向随织物结构变化靠民分层在正就力和剪应力共同作用下进行,分层微理解纹的萌生主要在交织面或垂直于裂纹扩展方向的纱线束内以纤维的分离和脱进行。主裂纹的扩展易于沿平行于裂纹扩展方向的纱线束以纤维的脱粘、断裂和界面脱粘进行。     

含预制脱粘的加筋壁板损伤扩展

复合材料加筋壁板在制备过程中容易在筋条蒙皮胶界面处存在缺陷,加速了蒙皮与筋条界面脱粘,在极大程度上影响结构的承载能力。基于Abaqus有限元软件用内聚力模型(CZM)和虚拟裂纹闭合技术(VCCT)两种方法对筋条蒙皮界面含预制脱粘的加筋壁板损伤扩展进行研究,并对比试验结果验证了模型的合理性。给出预制脱粘前缘损伤起始时各型能量释放率的分布;进一步研究不同预制脱粘的位置、面积对加筋板最终破坏状态和结构承载能力的大小。对比发现脱粘前缘损伤起始时II型能量释放率的贡献最大;预制脱粘位于外侧时结构的承载能力比位于中部强;结构的承载能力随着预制脱粘面积的增加而减小。     

陶瓷基复合材料低循环拉—拉疲劳寿命预测

采用细观力学方法建立预测纤维增强陶瓷基复合材料低循环拉—拉疲劳寿命的模型。该模型考虑初始加载到疲劳峰值应力时,基体出现裂纹,纤维/基体界面发生脱粘,部分纤维将发生断裂,并采用统计方法得到初始加载到峰值应力时的纤维失效体积分数;在后续循环过程中,考虑纤维相对基体在界面脱粘区滑移造成界面切应力下降,纤维失效模型与Evans界面磨损模型相结合,得到循环过程中纤维失效体积分数与界面切应力、循环数之间的关系;当纤维失效导致剩余强度下降,并小于疲劳峰值应力时,判断材料失效。采用剩余强度方法对陶瓷基复合材料的S-N曲线进行预测,并将预测的S-N曲线与试验数据进行对比,结果吻合较好。     

微球脱粘测试实验设备研究

微球脱粘实验是研究复合材料界面强度的一种先进技术。根据微球脱粘测试实验的要求,研制了微球脱粘测试仪;论述了仪器的总体设计方法、微球脱粘方案、人机交互界面等。该设备成功表征了复合材料界面性能,对于复合材料两相间界面粘结状况、界面设计的研究是一种十分有效的测试手段。     

提高硼纤维/环氧复合材料界面抗剪强度的方法

采用单根硼纤维拔出模型分析了硼纤维拔出过程界面剪切应力的分布;同时设计了一种单纤维拔出试样制备方法,并测试了不同硼纤维/环氧复合材料界面抗剪强度.结果表明:界面脱粘前,在纤维包埋起始端部和包埋末端界面存在剪切应力极大值,纤维包埋中间部位剪切应力较小;采用液体丁腈橡胶改性环氧树脂的硼纤维/环氧复合材料界面抗剪强度比未改性环氧树脂的提高了135%.     

SiCp／Al复合材料的断裂行为

用扫描电子显微镜观察了SiCp/Al复合材料的拉伸断口形貌,其断口以韧窝为主,有少量沿晶断特征,对该复合材料的断裂机理进行了分析讨论,SiCp颗粒断裂和SiCp颗粒与基体界面脱粘是微裂纹萌生的主要原因,提出了控制微裂纹,提高复合材料断裂性能的途径。     

预制体结构对C/C复合材料力学性能、断裂行为以及热物性能的影响

采用电耦合化学气相渗(Electric-coupling chemical vapor infiltration,E-CVI)工艺制备了C/C复合材料,系统研究了增强体类型、铺层方向对C/C复合材料力学性能、断裂行为和热物理性能的影响。结果表明,以碳毡作为增强体的C/C复合材料具有最差的力学性能;无纬布C/C和斜纹布C/C随着铺层秩序从0°/0°、0°/90°变化到0°/45°,其拉伸强度、弯曲强度和模量依次降低。在拉伸载荷下,0°/0°无纬布C/C的断裂行为主要表现为0°纤维束的拔出和断裂;0°/90°无纬布C/C表现为90°纤维层的界面脱粘和基体开裂,以及0°纤维束的拔出与断裂;0°/45°无纬布C/C表现为纤维与基体沿着±45°和90°纤维层的界面脱粘与基体开裂,以及±45°和0°纤维束的拔出。纤维预制体对C/C复合材料力学性能的影响主要取决于加载方向的纤维含量和取向、孔隙分布以及纤维束之间的界面结合。对于热物理性能,0°/90°无纬布C/C具有最小的热膨胀系数,碳毡C/C最大;0°/45°无纬布C/C具有最高的热导率,碳毡C/C最小;0°/90°无纬布C/C具有最大的TSR值。纤维预制体对C/C复合材料热物理性能的影响主要依赖于测量方向上纤维含量和取向,以及热解炭片层的取向。     

多层界面相对陶瓷基复合材料横向开裂的影响模拟

针对多层界面相对陶瓷基复合材料(CMCs)横向开裂行为的影响进行了细观有限元模拟。在代表体单元模型中,按照界面相各亚层的实际厚度建立多层界面相几何模型,然后赋予各亚层对应的组分材料参数,建立细观有限元模型。在此基础上,分别采用扩展有限单元法(XFEM)和内聚力界面模型来模拟CMCs中的开裂裂纹和脱粘裂纹,实现复合材料横向开裂过程的模拟。对单层BN界面相和(BN/Si C/BN)、(BN/Si C/BN/Si C/BN)两种多层界面相的模拟结果进行了对比。可以看出,所研究的Si C/Si C复合材料在横向载荷作用下,首先在纤维与界面相之间产生脱粘裂纹,脱粘裂纹扩展后引起外侧基体开裂,最终引起复合材料横向失效;与单层界面相相比,多层界面相将引起不同形态的脱粘裂纹,其横向开裂应变高于单层界面相,开裂位置也存在显著差异。     

增强体颗粒失效对SiCp/Al复合材料屈服强度的影响

采用Eshelby等效夹杂理论,分析SiCp/Al复合材料受载时作用在SiC颗粒上的应力.假设SiC颗粒失效符合Weibull统计分布,在综合考虑复合材料各种强化机制的基础上,引入颗粒失效对材料屈服强度的影响,建立SiCp/Al复合材料的屈服强度模型.结果表明,该模型预测的屈服强度与相应的实验结果吻合较好.同时模型显示在屈服状态下,颗粒直径较小时,复合材料的颗粒失效以界面脱粘为主,而随着粒度的增大,颗粒的断裂分数迅速增大,颗粒失效则转变为由颗粒断裂和界面脱粘共同控制.     

复合材料界面断裂的光弹性研究

使用了光弹性方法初步研究了复合材料的界面断裂规律 ,观察了裂纹沿界面的扩展过程 ,界面的应力分布 ,并结合断裂力学方法计算了复合材料界面的脱粘强度。实验现象揭示了当裂纹扩展到界面附近时 ,若基体和增强项的强度都大于界面结合强度 ,裂纹前端的应力首先通过界面脱粘而释放掉一部分 ,裂纹越过基体先沿着界面扩展 ,达到一定程度后基体再发生基体裂纹扩展     

单向碳／碳复合材料蠕变后的组织分析

用Ｘ射线衍射，激光喇曼光谱，ＳＥＭ和ＴＥＭ对一种单向碳／碳复合材料蠕变后的显微组织和界面作了分析。该材料用Ｔ３００碳纤维增强，用ＣＶＤ法沉积热解碳致密。结果表明，这种票经蠕变后，石墨化程度增加；碳纤维和基本碳的微晶尺寸也都有所增加，这些微晶沿纤维轴向择优取向；部分界面处有脱粘现象。     

编织复合材料低速冲击响应与破坏模式分析

以碳纤维编织复合材料和芳纶编织复合材料为研究对象,研究了编织复合材料的低速冲击响应和破坏模式,分析了冲击速度对材料冲击特性的影响.试验结果表明:碳纤维编织复合材料为脆性断裂,以纤维剪切断裂为主,伴随基体沿纤维编织方向开裂,并与纤维脱粘;芳纶编织复合材料的破坏模式以纤维拉伸断裂为主,基体沿着以应力集中处为中心的十字形方向开裂,纤维出现原纤化;碳纤维编织复合材料冲击响应与加载速度相关,芳纶纤维编织复合材料则对加载速度不敏感.     

用于C－A1复合材料的C纤维表面多功能梯度涂层

提出一种用于Ｃ－Ａ１复合材料的Ｃ纤维表面多功能梯度涂层，它具有润湿、减缓热应力、阻挡界面反应、改善复合材料断裂形式、提高纤维抗氧化性等多种功能，可以满足Ｃ－Ａ１复合材料制造工艺与性能的多种要求。并且采用化学气相沉积工艺制备了结构和成分分布与设计相符合的涂层。将其应用于Ｃ－Ａ１复合材料获得以良好的试样抗拉强度。对于该涂层的性能与作用进行了研究。     

含韧性界面相的颗粒增强复合材料的损伤研究

基于增量损伤理论,提出一个可描述颗粒增强复合材料渐进式脱粘损伤、基体塑性变形及颗粒尺寸效应的本构模型。采用双夹杂模型将韧性界面相嵌入到增量损伤理论模型,用界面分离的能量平衡式来描述颗粒增强复合材料的渐进式脱粘损伤。该模型可研究颗粒尺寸效应和界面性能对复合材料应力-应变关系的影响,并可解释界面相对复合材料力学性能的颗粒尺寸效应的影响。     

镀Ni碳纤维增强铅合金复合材料的制备工艺

本文采用两种不同的制备工艺制取了两种界面性质各异的碳纤维增强铅合金基复合材料。试验发现采用加压液态渗透法可以降低对纤维表面质量的要求,并改善纤维在基体合金中的分布密度。尽管电镀纤维由于表面质量较差,与基体合金的结合强度不及化学镀纤维与基体的结合强度,但是电镀纤维复合材料在断裂过程中要吸收更多的断裂功。     

δ—Al2O3／Al—12Si—Cu复合材料断裂过程原位观察

采用挤压铸造成功制得界面结合良好的“Ｓａｌｌｆｉ”＾ＴＭδ－Ａｌ２Ｏ３短纤维增强Ａｌ－１２Ｓｉ－Ｃｕ复合材料。用扫描电镜对材料的室温拉伸断口和原位动态拉伸过程的观察及分析结果表明：纤维断裂和界面脱粘共同导致材料失效。主裂纹在材料中萌生后,在裂纹尖端区形成明锐的应力集中,造成裂纹前沿与拉伸方向呈小角度（０°〈θ〈４５°）排列的纤维正断,而呈大角度（４５°〈θ〈９０°）排列的纤维则基本沿界面脱开形成微     

MWNTs/Fe_3Al金属间化合物基复合材料的导电性能

利用真空热压烧结和放电等离子体烧结两种方法制备了不同成分MWNTs/Fe3Al金属间化合物基复合材料;用透射电镜分析了复合材料的显微结构,并用微欧计测试了复合材料的电阻率后换算成电导率,研究了该复合材料的导电性能。结果表明:两种方法制备出复合材料的电导率随着碳纳米管含量的增加而降低;碳纳米管与金属间化合物相界面较高的势垒、纳米管的自身缺陷及其在基体中的分布方式影响了复合材料的导电性能。