界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸性能的影响

建立了桥联纤维细观力学模型, 研究了界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸模量及强度的影响。分别引入纤维应力均匀系数和界面脱粘率作为界面完全脱粘和局部脱粘条件下界面性能的表征参数。研究表明, 应力均匀系数及界面脱粘率越大, 材料模量越低, 而断裂时纤维所承担的应力越高。基于混合率给出了拉伸强度表达式, 同时也分析了基体裂纹分布、界面脱粘和纤维拔出对强度的影响。计算结果表明, 本文强度模型给出的预测值与试验值吻合较好。      

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。     

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。     

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。     

界面性能对陶瓷基复合材料拉伸强度的影响

基于陶瓷基复合材料拉伸试验现象引入了主裂纹损伤带的概念, 并将其宽度定义为界面脱粘长度. 由于界面性能对纤维应力集中有较大影响, 并且控制着材料的断裂模式, 分别给出了脆性断裂和韧性断裂的强度计算公式, 并引入了应力集中系数和界面脱粘能量释放率. 分析结果表明, 拉伸强度随着应力集中系数和界面脱粘能量释放率的增大而减小. 文中公式给出的预测值与试验值吻合较好, 表明断裂时纤维所承担的应力用脱粘段纤维平均应力来衡量是合适的.     

三点弯曲模式下C/SiC复合材料界面脱粘强度的数值模拟

利用ABAQUS软件对不同纤维方向下C/SiC复合材料界面在三点弯曲模式下的应力应变行为进行数值模拟,将引入内聚力模型模拟界面失效的仿真结果与实验结果进行分析对比。本研究模拟了PyC(热解碳)界面的脱粘过程,并得到了纤维方向和界面厚度对三点弯曲过程中界面脱粘强度的影响规律。结果表明,内聚力模型用于表征C/SiC复合材料的界面比较合理。纤维方向为横向和法向时的界面脱粘强度大致相等,约为26～28MPa。界面脱粘强度先随界面厚度增大而增大之后基本不变,界面厚度约为0.2～0.3μm时,界面脱粘强度达到最大。     

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。      

短纤维增强橡胶密封复合材料界面疲劳损伤行为

依据广义自洽方法,建立了包含芳纶纤维、界面相、橡胶基体和等效介质的代表性体积单元(RVE)模型。采用自定义材料子程序对内聚力疲劳累积损伤模型进行编译,分别在基体/界面相的界面和纤维/界面相的界面设置内聚力单元,研究界面相性能参数对纤维增强橡胶密封复合材料(SFRC)界面疲劳损伤行为的影响。探讨了界面相厚度和模量的确定方法,获得了不同界面相厚度和模量下SFRC界面脱粘起始位置以及脱粘起始疲劳次数。结果表明,较低的界面相模量能够抑制界面脱粘的产生;随着界面相厚度的增加,界面脱粘的起始疲劳次数增加,SFRC抗疲劳损伤能力得到提高。     

单向短纤维增强泡沫塑料力学性能分析

将Mori-Tanaka方法和修正剪滞模型相结合,给出了单向短纤维增强高密度泡沫塑料的模量预测和应力计算公式,并用建立的考虑不同情况的有限元模型分析了纤维和基体中的应力分布。研究结果表明：理论预测与有限元分析结果符合得较好。采用修正的剪滞理论能够解释单向短纤维增强泡沫塑料的应力传递机制。当泡孔体积分数增加时,纤维轴向应力和界面剪应力会增大,更容易发生脱粘和拉断破坏。纤维端部脱粘或穿过泡孔虽然容易引起局部应力集中,但对整体应力分布影响不大。     

连续纤维增强PPESK树脂基复合材料的界面性能

用SEM观察了复合材料的微观断面结构,用横向拉伸强度和层间剪切强度表征玻璃纤维(GF)、T700碳纤维(CF)、芳纶纤维(F-12)增强PPESK树脂基复合材料的界面性能,研究了界面性能对三种复合材料耐湿热性能的影响.结果表明,T700/PPESK和F-12/PPESK复合材料的界面粘接性能均优于GF/PPESK复合体系.三种纤维复合材料的破坏机理不同:玻璃纤维发生纤维与树脂的界面脱粘破坏,碳纤维复合材料在破坏时,树脂与纤维并没有完全脱粘,破坏发生在树脂内;而芳纶纤维复合材料的破坏总伴随着纤维本身横向的撕裂破坏.三种复合材料体系均具有较低的吸湿率和良好的耐湿热性能,T700/PPESK复合材料在湿热条件下的性能保持率最高.     

界面相多重开裂对纤维强度的影响

当纤维表面的界面相(如涂层)较脆时,纤维发生断裂之前界面相一般会发生多重开裂的损伤,这种损伤裂纹垂直于纤维轴向,故能导致纤维强度下降.本文以四相(纤维,界面相,基体,复合材料)圆柱体模型为基础,并假设界面脱粘后不再传递剪应力.首先用剪切滞后理论求得了界面相发生多重开裂后,纤维、界面相中的应力集中系数,以及界面上的剪应力,并同时考虑了纤维与界面相间界面部分脱粘的影响;然后,假设纤维强度统计特性用Weibull分布函数表示,从而根据界面相多重开裂在纤维中引起的应力集中系数K_f得到广纤维破坏概率的变化.最后利用界面脱粘区的大小,定性研究了界面剪切强度τ0对纤维强度的影响,结果表明:存在一个最佳的界面剪切强度τ0,使界面相多重开裂对纤维强度的影响最小.     

两级载荷作用下复合材料界面的脱粘

研究了两级拉伸疲劳载荷作用下,纤维增强复合材料界面的脱粘。首先基于剪切筒模型,建立了求解纤维与基体应力的控制微分方程,并求得了相关解答。然后借助断裂力学中描述疲劳裂纹扩展的公式和能量耗散率理论,给出了界面脱粘长度、加载次数以及脱粘应力之间的关系式。最后通过实例模拟了两级拉伸疲劳载荷作用下的界面裂纹扩展,分析了界面疲劳裂纹扩展速率、脱粘长度在不同加载方式下的变化规律,以及材料泊松比的变化对界面脱粘的影响。从而为进一步研究工程结构的疲劳破坏和材料的最优设计提供一定的理论依据。      

Kevlar纤维表面改性对PA6/KF复合材料力学性能与破坏形态的影响

用挤出和注塑的方法加工了PA 6/K ev lar纤维(KF)复合材料,研究了其拉伸、弯曲和冲击性能以及破坏形态。结果表明,KF表面酰氯化、己内酰胺封端并经阴离子接枝尼龙6处理的PA 6/KF 1复合材料的拉伸强度和弯曲强度均得到明显提高,弯曲模量基本不变,冲击强度则有所下降。由断面形态可知,PA 6/KF 0拉伸破坏呈界面脱粘破坏形态,而PA 6/KF 1复合材料呈部分非界面脱粘破坏。弯曲和冲击破坏时PA 6/KF 1复合材料的断口纤维粘附大量尼龙6树脂,而PA 6/KF 0复合材料粘附尼龙6量很少。界面粘接良好导致PA 6/KF 1复合材料冲击性能下降。     

地震作用下顺倾岩体边坡锚固界面剪切作用分析

基于FLAC 3D软件,尝试修正的cable单元建立全长黏结锚杆锚固顺倾岩体边坡数值分析模型,改进剪应力提取方法,分别模拟分析了锚杆-注浆体界面上和注浆体-岩体界面上的剪切作用及其演化。研究发现:注浆体-岩体界面上比杆体-注浆体界面上的剪应力小得多,且均以锚杆上的中性点为界方向相反,分布很不均匀,中性点附近大,锚杆两端小,随边坡地震响应增强锚固界面脱粘并向锚杆两端发展,直至全部脱粘致使锚固破坏。获得了地震波作用下边坡两锚固界面上剪应力及其分布和脱粘破坏过程,揭示了锚固界面上的剪切相互作用和锚固破坏机制,并得到了试验印证。为边坡锚固设计和施工提供了参考。     

多向细编碳/碳复合材料界面力学性能测试与表征

本文用自制装置研究了多向细编C/C复合材料纤维束性能,分析了工艺过程的影响。同时用界面微脱粘实验技术研究了C/C复合材料界面性能,给出了相应的理论模型和界面应力分布,提出了由界面脱粘力,纤维、基体和复合材料性能表征界面剪切强度的方法,为C/C复合材料优化设计提供了定量参数。结果表明:织物结构、织物编织工艺以及织物/基体复合对纤维的强度影响很大,降为原始纤维的20%左右,对模量影响小。不同界面层次,纤维/基体的界面结合情况和界面剪切强度不同,Z向纤维束中纤维/基体结合好,具有最高的结合强度,SEM观察证实有大量基体碳在纤维上枝联。     

黏接界面脱黏损伤的缺陷局部内共振识别方法EI北大核心CSCD

黏接结构的界面脱黏将导致结构完整性的破坏,对界面黏接状态进行有效的检测和评估具有重要意义。提出一种基于缺陷局部内共振的界面脱黏损伤识别方法,通过建立黏接界面局部缺陷的双自由度非线性模型,利用多尺度方法分析了界面脱黏缺陷局部内共振产生机理,确定内共振损伤识别方法需要特定的激励条件;以铝梁黏接结构为试验对象,基于表面粘贴的压电作动/传感晶片,产生不同频率和幅值的激励信号,对传感晶片响应信号进行频谱分析,通过缺陷局部2∶1内共振出现特有的饱和现象对黏接界面脱黏损伤进行有效识别。仿真与试验结果表明,内共振饱和现象需要特定的激励条件,能够有效放大结构局部缺陷的非线性信号特征,提高了噪声干扰下的黏接结构界面脱黏非线性损伤的检测能力。     

平纹机织玻璃纤维增强复合材料面内压缩力学行为及破坏机制

为了研究平纹机织玻璃纤维复合材料SW200/LWR-2 的面内压缩力学性能并建立其本构模型, 对其进行了应变率为0. 001 s-1 、0. 1 s-1 、500 s-1 , 温度从- 55 ℃到100 ℃范围内的面内压缩实验研究。动态压缩实验在SHPB 装置上进行, 通过波形整形器实现了恒定应变率加载, 且经过验证试样两端应力平衡。实验结果表明, SW200/ LWR-2 复合材料性能具有明显的应变率敏感性及温度敏感性, 其强度随着应变率的升高而增大, 随着温度的升高而减小。对破坏后试样进行宏观及微观观察发现, 准静态加载时试样为剪切破坏, 伴随大量纤维束内脱粘和纤维拔出; 动态加载时试样为剪切破坏与分层破坏并存, 并出现大量碎屑, 纤维束为整束剪断, 束内脱粘受到抑制。根据损伤力学理论, 建立了SW200/ LWR-2 复合材料应变率及温度相关面内压缩损伤统计本构模型, 本构模型结果与实验结果吻合较好。      

GMT-PP复合材料的界面粘结状况与动态疲劳关系研究

采用动态疲劳试验研究了不同界面粘结状况的GMT-PP复合材料的疲劳行为。结果表明:GMT-PP界面粘结状况对其拉伸疲劳性能有明显的影响,界面粘结的改善有利于抗疲劳性的提高。进而通过扫描电镜的观察发现具有良好界面粘结的GMT-PP在静态拉伸时破坏形式为基体破坏,而动态拉伸疲劳破坏则以界面脱粘为主。由于界面粘结强度越高,界面脱粘过程越慢,因而,材料的抗疲劳性越好。      

多向细编碳／碳复合材料界面力学性能测试与表征

本文用自制装置研究了多向细编Ｃ／Ｃ复合材料纤维束性能，分析了工艺过程的影响。同时用界面微脱粘实验技术研究了Ｃ／Ｃ复合材料界面性能，给出了相应的理论模型和界面应力分布，提出了由界面脱粘力，纤维、基体和复合材料性能表征界面剪切强度的方法，为Ｃ／Ｃ复合材料优化设计提供了定量参数。结果表明：织物结构、织物编织工艺以及织物／基体复合对纤维的强度影响很大，降为原始纤维的２０％左右，对模量影响小。不同界面层次，纤维／基体的界面结合情况和界面剪切强度不同，Ｚ向纤维束中纤维／基体结合好，具有最高的结合强度，ＳＥＭ观察证实有大量基体碳在纤维上枝联。     

FRP-混凝土三点受弯梁损伤粘结模型有限元分析

该文采用双线形损伤粘结模型研究带切口FRP-混凝土三点受弯梁(3PBB)I型加载下的界面断裂性能。通过有限元参数分析,详细讨论了界面粘结强度、界面粘结能、混凝土抗拉强度、混凝土断裂能对3PBB受力性能的影响。数值模拟表明,FRP-混凝土界面有两种破坏形式,包括FRP-混凝土界面的损伤脱粘和界面混凝土的损伤脱粘破坏,与实验所观察到的现象一致。两种破坏形式尽管在宏观上均表现为界面脱粘,但破坏机制却不同。FRP-混凝土界面的损伤粘结模型与混凝土的拉伸塑性损伤模型相结合,不但再现了3PBB的宏观力学性能,数值分析得到的荷载-位移曲线接近实验结果,而且还能详细展示FRP-混凝土界面的损伤、断裂破坏过程以及损伤在FRP-混凝土界面和界面混凝土之间的转移,能够预测构件的承载力,有助于界面优化设计,这是单纯以能量判据预测裂纹发展的经典断裂力学方法所无法做到的。