二维编织 C/ SiC复合材料的热膨胀系数预测

根据二维编织 C/ SiC复合材料的细观结构及其制备工艺特点 , 提出了一种预测该材料面内热膨胀系数的单胞模型。模型充分考虑了编织结构复合材料中的纤维束弯曲和 CVI工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热膨胀系数的影响。利用单胞模型预测了二维编织 C/ SiC的结构参数、 纤维体积含量、 孔洞含量对复合材料热膨胀系数的影响规律 , 结果表明 : 随着纤维束扭结处产生间隙与纱线宽度比值的增大 , 热膨胀系数增大 ; 当其它参数不变时 , 随着纤维体积含量的增大 , 热膨胀系数反而下降; 随着孔洞含量的增加 , 热膨胀系数也出现了下降的趋势。利用 DIL402C热膨胀仪测试了二维编织 C/ SiC复合材料纵向热膨胀系数 , 试验结果与模型预测结果吻合较好。     

三维四向编织复合材料界面损伤机理数值分析

考虑界面脱粘表面压应力下摩擦力对材料界面力学性能的影响,建立损伤-摩擦相结合的界面本构模型,编写用户材料子程序VUMAT,实现其在有限元软件ABAQUS中的嵌入。基于周期性胞元分析思想,在单胞模型中纤维束/基体、纤维束/纤维束分界面引入界面单元,结合损伤-摩擦相结合的界面本构模型,建立含界面相三维四向编织复合材料的细观有限元模型。模拟典型载荷下界面损伤的起始和扩展过程,分析界面应力传递和界面破坏机理,研究界面性能对复合材料宏细观力学性能的影响规律,为实现三维四向编织复合材料界面性能优化设计和控制提供参考。      

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。     

二维编织C/SiC陶瓷基复合材料的热传导系数预测

根据二维编织C/SiC复合材料的细观结构及其制备工艺特点,提出了一种预测该材料热传导系数的单胞模型。模型简化了编织结构纱线的实际构型,充分考虑了编织结构复合材料由于化学气相渗透(CVI)工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热传导系数的影响。利用单胞模型预测了二维编织C/SiC的结构参数、纤维体积含量、孔洞体积含量对复合材料热传导系数的影响规律。结果表明: 随着纤维束扭结处产生间隙与纱线宽度比值的增大,热传导系数减小;当其它参数不变时,热传导系数随着纤维体积含量和孔洞体积含量的增加而下降。利用Hot Disk热测量仪采用瞬变平面热源法测试了二维编织C/SiC复合材料面内的热传导系数,试验结果与模型预测结果吻合较好。     

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。      

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。      

二维二轴1×1编织复合材料细观结构模型及力学性能有限元分析

考虑纤维束相互挤压及横截面形状变化, 采用纤维束截面六边形假设, 建立了二维二轴1×1编织复合材料的参数化单胞结构模型。通过引入周期性位移边界条件, 基于细观有限元方法, 对编织材料的弹性性能进行预测, 讨论了编织角及纤维体积含量对面内弹性常数的影响, 并分析了典型载荷下单胞细观应力场分布。研究表明: 单胞结构模型有效反映了纤维束的空间构型和交织特征, 实现了不同编织工艺参数下模型的快速建立; 基于单胞有限元模型的弹性性能预测结果与试验结果较为吻合; 模型给出了单胞合理的应力场分布, 为二维编织复合材料的结构优化和损伤预测奠定基础。      

热残余应力对C/SiC复合材料界面剪切强度影响的有限元分析

根据C/SiC复合材料的属性,建立单纤维顶出的二维轴对称模型,采用有限元法对C/SiC复合材料的界面剪切强度进行数值研究,分析中考虑材料制备过程中的残余应力对界面剪切强度的影响,在细观力学层面上系统分析纤维顶出过程的界面剪应力及其相关影响因素。分析得出,残余应力会对界面造成损伤,降低界面脱粘载荷。材料的界面承受能力与热膨胀系数呈正相关,与固化温度呈负相关。     

单向碳/碳复合材料拉-拉疲劳寿命及剩余强度预测模型

基于预测单向复合材料纵向拉伸强度的随机核模型,引入纤维单丝剩余强度二参数Weibull模型及纤维单丝与基体界面剩余强度模型,研究建立了单向复合材料纵向拉-拉疲劳寿命及剩余强度的预测模型。对经过一定次数拉-拉疲劳载荷循环后的纤维束抽取其纤维单丝进行剩余强度拉伸试验,建立了纤维单丝剩余强度的二参数Weibull模型,测试单向碳/碳（C/C）复合材料的纤维与基体界面强度。通过单向C/C复合材料算例分析表明,92.5%、90.6%和87.5%应力水平下对数预测寿命与对数试验寿命比值分别为0.79、1.00和1.11,表明所建立的寿命预测模型用于预测单向C/C复合材料疲劳寿命是可行的;纵向拉伸剩余强度预测值与试验值误差在10%以内,吻合较好,表明所提出的剩余强度预测模型具有较高的精度。     

圆管状立体机织复合材料的多尺度分析

采用多尺度耦合的数值模型研究了圆管状立体机织复合材料的力学性能。建立了反映纤维束中纤维/基体二相材料的微观尺度单胞和反映周期性编织结构的细观尺度扇形单胞,并重点讨论了扇形单胞的周期性边界条件。通过逐级计算微观单胞、细观单胞的平均弹性常数,得到了圆管状立体机织复合材料的刚度参数,实现了由组分材料性能及编织参数预测圆管的宏观弹性性能,模型预测刚度与试验结果吻合。另一方面,研究了从大到小各尺度耦合的应力分析,对于圆管环向应力非周期分布的情况,建立了嵌入细观单胞的环状模型,进行了复杂荷载下从宏观圆管结构、到细观纤维束尺度、再到微观纤维尺度之间的逐级应力分析。     

Fatigue Hysteresis Behavior of 2.5D Woven C/SiC Composites: Theory and Experiments

This paper presents an intriguing fatigue hysteresis behavior of 2.5 dimensional woven C/SiC composites via the integration tool of advanced experimental techniques with a multiscale theoretical model. Tension-tension fatigue experiment has been carried out to predict the fatigue hysteresis properties of 2.5D woven C/SiC composite at room temperature, accompanied with the fracture of specimens to investigate the mechanism of fatigue damage. Meanwhile, a multiscale fatigue model of 2.5D woven C/SiC composites, which encompasses a micro-scale model of fiber/matrix/porosity in fiber tows and a macro-scale model of unit-cell, has been proposed to provide a reliable validation of the experimental results based on fiber damages resulting from relative slip motion with respect to matrix at interfaces and the architecture of 2.5D woven C/SiC composites. The predicted hysteresis loop from theoretical model at room temperature holds great agreement with that from tension-tension fatigue experiments. Also, effects of fatigue load, braided structural parameters and material properties at micro scale on fatigue hysteresis behavior have been investigated.     

考虑微观界面的2D编织SiC/SiC复合材料宏-细-微多尺度渐进损伤失效分析

该文将微观界面组分纳入宏-细-微三个尺度的多尺度渐进损伤失效分析中.对细、微观单胞模型施加周期性边界条件获取放大因子并采用k-means聚类方法进行缩聚;通过缩聚的放大因子求解宏观模型对应的细、微观组分应力并进行损伤失效判定;计算宏观模型退化后的弹性参数用于后续计算;针对2D编织SiC/SiC复合材料开展了渐近损伤失效...     

三向正交碳纤维增强纳米碳化硅生物复合材料的制备和力学性能

碳纤维增强的纳米碳化硅陶瓷基复合材料力学性能优良,且具有一定的生物相容性,因此可作为一种新型的可取代钛合金的全尺寸整体人工骨骼。研究了具有三向正交结构的T300和M30碳纤维预制体对C/SiC复合材料制备过程和抗弯强度的影响规律。以聚碳硅烷为先驱体,以二乙烯基苯为溶剂和交连剂,采用聚合物浸渍热解法制备了C/SiC复合材料,采用阿基米德排水法测量其密度和气孔率,采用三点抗弯法测量其抗弯强度。M30 C/SiC抗弯强度比T300 C/SiC高6.7％,表明碳纤维弹性模量对复合材料基体开裂强度有显著影响,并通过增加纤维径向强度以及承担载荷的比例提高了复合材料的断裂强度。      

Numerical Modeling of Oxidized 2D C/SiC Composites in Air Environments Below 900 °C: Microstructure and Elastic Properties

A numerical model is presented for simulation of the oxidation-affected behaviors of two dimensional carbon fiber-reinforced silcon carbide matrix composite (2D C/SiC) exposed to air oxidizing environments below 900 °C, which incorporates the modeling of oxidized microstructure and computing of degraded elastic properties. This model is based upon the analysis of the representative volume cell (RVC) of the composite. The multi-scale model of 2D C/SiC composites is concerned in the present study. Analysis results of such a composite can provide a guideline for the real 2D C/SiC composite. The micro-structure during oxidation process is firstly modeled in the RVC. The elastic moduli of oxidized composite under non-stress oxidation environment is computed by finite element analysis. The elastic properties of 2D-C/SiC composites in air oxidizing environment are evaluated and validated in comparison to experimental data. The oxidation time, temperature and fiber volume fractions of C/SiC composite are investigated to show their influences upon the elastic properties of 2D C/SiC composites.     

三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩性质的温度效应

采用实验和有限元方法,研究了三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料在低温场（20、0、-50、-100℃）中横向压缩性质温度效应。研究结果表明：温度对碳纤维/环氧树脂横向压缩模量、屈服应力及切向模量均有不同程度影响。三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩后,试样表面形貌受温度影响显著。低温场中,表面鳞纹现象减弱,且纱线-树脂间界面出现开裂。温度降低导致碳纤维/环氧树脂内部产生热应力。热应力对碳纤维/环氧树脂力学性能影响有限,不是温度效应的主导因素。基体性质随温度变化是三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩性质温度效应的主要机制。     

基于面-内胞模型的三维四向编织复合材料渐进损伤数值模拟

为了准确预测三维四向编织复合材料的纵向拉伸力学性能,对编织复合材料的面胞和内胞细观实体模型进行参数化建模,面胞模型考虑了纱线空间轨迹的偏移和横截面的挤压变形。用体素网格离散模型并施加合适的边界条件,将各组分材料的损伤模型编入到有限元分析软件ABAQUS用户定义材料子程序UMAT中。分别对内编织角为30°和45°的三维四向碳纤维/环氧树脂编织复合材料的面-内胞模型进行数值分析,经体积加权平均获得不同厚度编织复合材料试件的纵向拉伸模量和强度,通过统计具有相同破坏模式的积分点数量研究复合材料的渐进损伤过程。结果表明:基于面-内胞模型预测三维四向编织复合材料的纵向拉伸力学性能与试验值吻合良好,损伤分析结果合理地反映了面胞和内胞的渐进损伤过程。      

Simulation of Degraded Properties of 2D plain Woven C/SiC Composites under Preloading Oxidation Atmosphere

In this paper, a numerical model which incorporates the oxidation damage model and the finite element model of 2D plain woven composites is presented for simulation of the oxidation behaviors of 2D plain woven C/SiC composite under preloading oxidation atmosphere. The equal proportional reduction method is firstly proposed to calculate the residual moduli and strength of unidirectional C/SiC composite. The multi-scale method is developed to simulate the residual elastic moduli and strength of 2D plain woven C/SiC composite. The multi-scale method is able to accurately predict the residual elastic modulus and strength of the composite. Besides, the simulated residual elastic moduli and strength of 2D plain woven C/SiC composites under preloading oxidation atmosphere show good agreements with experimental results. Furthermore, the preload, oxidation time, temperature and fiber volume fractions of the composite are investigated to show their influences upon the residual elastic modulus and strength of 2D plain woven C/SiC composites.