三维编织碳/环氧复合材料力学性能测试及破坏机制

通过宏观拉压试验, 研究了三维正交编织碳/环氧复合材料的拉伸和压缩力学性能。对试验过程进行了声发射分析, 对断口进行了扫描电镜观察分析, 给出了该类材料的拉伸和压缩破坏机制。结果表明: 三维正交编织碳/环氧复合材料有良好的拉伸和压缩力学性能; 三维正交编织复合材料在拉伸和压缩载荷作用下的断裂均为脆性断裂, 拉伸试验的主要破坏现象是纤维断裂拔出, 而压缩试验则是纤维剪切破坏; 通过声发射参数分析可以基本判定该类材料损伤过程中的损伤类型。     

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。     

声发射技术在三维编织C/SiC复合材料拉伸损伤分析中的应用

通过声发射技术(Acoustic Emission简称AE)对三维编织C／SiC复合材料试件单向拉伸实验过程进行全程动态监测，利用声发射特征参数的综合分析法揭示了三维编织C／SiC复合材料单向拉伸时损伤演化过程和规律．实验结果表明三维编织C／SiC复合材料单向拉伸时损伤发展的四个阶段及声发射特性并利用声发射相对能量定义了材料临界损伤强度。     

损伤形式对三维编织复合材料拉压性能的影响

通过对损伤前后三维编织复合材料试件进行纵向拉伸和压缩实验, 分析了材料的拉、压刚度和强度的变化规律和失效形式。主要讨论了4 种损伤加工方案, 包括沿宽度方向单边切割、沿宽度方向双边切割、沿厚度方向单边切割及沿宽度和厚度方向同时切割。实验结果表明, 宽度方向损伤对拉伸强度、模量和压缩强度影响不大, 压缩模量下降了20 %左右; 厚度方向损伤对纵向拉伸、压缩强度和模量影响较大。编织角20°时, 拉伸、压缩应力-应变曲线接近于线性, 试件的失效方式趋向于脆性破坏; 编织角35°时, 压缩应力-应变曲线表现出一定的非线性。     

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。     

预制体结构及界面对三维SiC/SiC复合材料拉伸性能的影响

为研究预制体结构及界面对三维编织SiC/SiC复合材料拉伸性能的影响,采用先驱体浸渍裂解法（PIP）分别制备了三维四向和三维五向SiC/SiC复合材料,并引入热解炭/碳化硅（PyC/SiC）复合界面层,进行拉伸性能测试和断口形貌观察。结果表明,三维五向SiC/SiC复合材料拉伸性能优于三维四向SiC/SiC复合材料,三维五向SiC/SiC复合材料的拉伸强度、模量和断裂应变分别是三维四向SiC/SiC复合材料的1.22倍、1.25倍、1.43倍,且比三维四向SiC/SiC复合材料具有更好的强度可靠性。这是由于三维五向SiC/SiC复合材料增加了受力方向的纤维含量,限制了纤维在外力作用下的转动和变形,起到定型和稳固作用。添加PyC/SiC复合界面层,三维五向SiC/SiC复合材料的拉伸强度、模量及断裂应变分别提高了21.7%、15.0%和11.0%。界面的存在可以保护纤维,调节纤维与基体之间的热应力,受力时诱使裂纹偏转和分叉,消耗能量,提高三维五向SiC/SiC复合材料的拉伸性能。      

三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料在热环境中的拉压力学性能实验

针对不同编织角度的三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料,进行了热环境下的轴向拉伸和压缩力学性能实验研究,讨论了温度对三维四向编织复合材料的轴向拉伸和压缩力学性能的影响,并根据宏观断裂形貌和SEM图像分析了材料的破坏和断裂机制。结果表明,随着测试温度的升高,三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料的纵向拉伸强度有小幅提高,而纵向压缩强度显著降低。在室温条件下,编织角对材料的纵向拉伸破坏特征没有影响,而对材料的纵向压缩破坏特征有较大影响。随着测试温度的升高,不同编织角度复合材料的纵向拉伸和压缩的损伤破坏形态均与室温条件下明显不同。      

三维编织SiC/SiC复合材料拉伸和弯曲损伤机制

为了研究三维编织SiC/SiC复合材料损伤机制,开展了室温条件下的单调拉伸和三点弯曲试验。实验前,利用CT扫描手段,明确了三维编织SiC/SiC复合材料试样的编织组织形态。对拉伸和三点弯曲试样的微观分析表明：原生孔洞和微裂纹导致了材料在单调拉伸过程中形成局部应力集中,随着拉伸载荷的增大,基体的横向开裂和纤维束间纵向层间裂纹逐渐演化形成纤维内部裂纹,导致材料最终的脆性断裂失效;在三点弯载荷作用下,表现为剪切、拉压共生的多耦合破坏模式,拉应力一侧首先发生失效,随后在中性面处发生剪切破坏,紧接着失效迅速向上下两侧扩展,直至截面在整个厚度方向发生失效;断口与纤维束的走向相关性很大,裂纹基本上沿着纤维束之间的界面进行扩展,导致最终失效未发生在理论失效位置处。     

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。     

二步法方型三维编织复合材料力学性能及影响因素

对具有不同细观结构参数的二步法方型三维编织复合材料试件进行了轴向拉伸、三点弯曲及轴向压缩的力学性能测试,获得了这种结构材料的基本力学性能数据。针对其细观结构特点,从宏观角度分析了编织纱的种类、编织纱与轴纱的线密度之比以及编织节距长度等参数对力学性能的影响。实验和分析结果表明:二步法方型三维编织复合材料的轴纱对轴向拉伸和压缩性能起主导作用;节距长度增大,编织纱越粗,轴向拉伸强度、拉伸模量以及轴向压缩强度和模量均有增大的趋势。     

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。     

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。     

三向编织玻璃/环氧复合材料刚度性能

通过实验研究了三向编织玻璃/环氧复合材料的刚度性能 , 并考虑编织角和试件宽度参数的影响 , 探讨了拉伸和压缩刚度性能的差异。实验结果表明 : 在同一纤维体积分数条件下 , 随着编织角的增大 , 试件的纵向弹性模量有所减小 , 泊松比 (在编织角约大于 35° 时) 也有所减小 ; 宽度为两倍和三倍单胞宽度的试件的刚度性能基本相同; 试件的纵向弹性模量和泊松比远大于横向弹性模量和泊松比; 拉伸和压缩时试件的弹性模量和泊松比基本接近 ; 在横向拉伸和压缩时试件的应力2应变曲线具有明显的非线性特征。实验结果为编织复合材料结构设计提供了数据参考。     

三维六向编织复合材料力学性能的实验研究

通过拉伸 ( 含开孔拉伸 ) 、压缩 ( 含开孔压缩 ) 、面内剪切及冲击后压缩实验,获得了三维六向编织复合材料的主要力学性能参数。基于宏观实验,探讨了材料在拉伸、压缩及剪切载荷作用下的破坏模式和失效机理,分析了开孔类型 ( 机械孔、编织孔 ) 对材料拉、压性能的影响并研究了冲击对材料压缩性能的影响。所获结果为进一步研究三维六向编织复合材料的刚度、强度预报奠定了基础。     

含孔和切口C/C编织复合材料静态拉伸下的力学性能

通过对中心开孔、 双边半圆切口和双边V型切口三种结构的静态拉伸测试及有限元模拟分析, 比较了不同开孔/切口形式C/C编织复合材料的破坏行为。结果表明: 三种开孔/切口形式的C/C试件在拉伸破坏中均表现为较强线性的应力-应变关系, 且开孔/切口附近有明显的应力集中; 板宽不变时, 缺口强度对开孔/切口尺寸不敏感, 而对其端部的曲率半径较敏感; 孔端部材料不满足线弹性的破坏机制, 发生了大规模的应力松弛, 其尺寸随开孔/切口曲率半径的增大而增大, 而对开孔/切口位置不敏感。