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。     

SiCf/TC17复合材料界面剪切强度测试与有限元分析

界面强度对钛基复合材料的性能有重要影响。采用纤维顶出实验(push-outtest)对连续SiC纤维增强TC17复合材料的界面剪切强度进行了测试,采用SEM观察了样品的形貌。以纤维/基体完全分离后的摩擦力为出发点,采用有限元方法确定了复合材料成型过程中残余应力的产生温度,并计算了残余应力的分布,比较了顶出实验样品制备前后残余应力的变化情况及样品厚度、体积分数对残余应力分布的影响;采用内聚力模型(CZM)分析了界面的化学结合强度。结果表明:SiCf/TC17复合材料高温成型后的冷却过程中开始产生残余应力的温度为775℃;顶出实验样品制备后界面处生成了残余剪切应力,其大小和分布与样品的体积分数和厚度相关,界面处的残余剪切应力造成了界面剪切强度的测试结果与界面化学结合强度的差异;室温下SiCf/TC17复合材料的界面化学结合强度约为450MPa。     

内部硅化法制备低成本C/SiC复合材料

采用内部硅化法制备了低成本C/SiC复合材料,通过三点弯曲法表征了复合材料的强度,采用X射线衍射(XRD)分析了基体组成,通过扫描电镜(SEM)研究了纤维/基体界面和复合材料断裂面的微观结构.结果表明,纤维表面沉积CVD-SiC保护涂层能够有效保护碳纤维不被硅侵蚀,调整硅粉和酚醛树脂配比使C∶Si摩尔比等于10∶ 9,可消除SiC基体中的残余自由硅.研制的低成本2D C/SiC复合材料的弯曲强度和剪切强度分别达到247MPa与13.6MPa.2D C/SiC复合材料的断裂行为呈现韧性破坏模式,在断裂面存在大量的拔出纤维,复合材料的断裂韧性(KIC)达到12.1MPa·m1/2.     

SiC/Ti-6Al-4V复合材料在横向拉伸载荷下界面失效行为的数值模拟

采用有限元模拟了SiC/Ti-6Al-4V复合材料冷却过程和横向拉伸试验过程, 横向拉伸试样采用十字形试样。分别建立了平面应力和轴对称有限元模型, 采用平面应力有限元模型计算环绕纤维圆周的界面微区应力分布, 预测界面失效机制。采用轴对称有限元模型分析复合材料界面脱粘过程以及残余应力对界面径向应力分布的影响。结果表明: 对于SiC/Ti-6Al-4V复合材料十字形试样,在横向拉伸载荷下的界面失效由径向应力导致,界面失效模式为法向失效, 剪切失效模式未发生; 十字形试样在横向拉伸载荷下界面初始脱粘位置处于界面中间; 随横向拉伸应力增加, 十字形试样的界面脱粘对称向两边扩展; 界面径向应力随残余应力降低而升高。     

单纤维复合材料体系界面性能的实验研究与数值分析(英文)

针对微脱黏测试建立细观力学模型,通过模拟纤维从树脂微滴中的拔出过程评价炭纤维增强双马树脂基复合材料的界面性能。为了深入理解湿热环境对复合材料界面性能的影响,通过微脱黏方法测试不同湿热环境条件下炭纤维增强双马树脂基复合材料的界面剪切强度。结果表明,湿热老化会导致界面剪切强度下降,吸湿达到饱和后界面剪切强度也会趋于稳定。在实验的基础上,基于内聚力界面单元建立脱黏过程的数值模型以表征复合材料的界面特性,评价实验参数与界面特性的关系。微脱黏模型还为宏观力学性能的数值分析提供包括界面相在内的必要的实验参数。微脱黏测试的有限元分析表明刮刀夹持位置、热残余应力以及湿热条件均会对界面应力分布产生影响。     

国产三代2.5D SiCf/SiC复合材料的界面力学性能

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_f/SiC)是下一代航空发动机的关键结构材料,其界面性能是决定材料力学性能的重要因素之一。为此,本研究表征了国产三代2.5D SiC_f/SiC的界面性能,并探究其与材料拉伸性能的关系。利用拉伸加/卸载过程中的迟滞特性定量分析了2.5D SiC_f/SiC中各组元残余应力和界面滑动应力(IFSS),根据断口拔出纤维的断裂镜面半径得到了纤维就位强度(σ_fu)的统计分布,通过纤维推入法得到界面剪切强度(ISS)和界面脱黏能(G_i)。结果表明:利用宏观结合细观的方法能够较全面地描述SiC_f/SiC从初始裂纹萌生到最终脱黏不同阶段的界面力学性能,2.5D SiC_f/SiC的IFSS、ISS和G_i分别为56 MPa、(28±5) MPa和(2.7±0.6) J/m²。ISS和G_i较低,表明界面结合较弱,在剪应力作用下易产生裂纹,而IFSS较大,...     

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。     

不同界面SiC纤维束复合材料的拉伸力学行为

利用国产三代SiC纤维通过化学气相渗透工艺(CVI)制备不同界面厚度和基体体积分数的SiC纤维束复合材料,并对其拉伸力学行为进行研究;同时,通过有限元方法研究界面厚度和基体体积分数对SiC纤维束复合材料热残余应力的影响。有限元分析结果表明:该纤维束复合材料的界面存在较为明显的径向和环向热残余应力,而且这两种应力均随着界面厚度增加而减小,随着基体体积分数的增加而增加。拉伸实验结果表明:随着界面厚度增加SiC纤维束复合材料的拉伸强度有增大趋势,且纤维拔出长度也相应增加;但在界面厚度相同的情况下,过高的基体体积分数将导致复合材料拉伸强度和韧性下降。     

界面相对3D-SiC/SiC复合材料静态力学性能及内耗特征的影响

采用先驱体浸渍裂解工艺制备无界面、SiC、PyC和PyC/SiC等界面相SiC/SiC复合材料, 研究了SiC/SiC复合材料的微观结构及静态力学性能, 并通过强迫振动法系统分析了界面相对复合材料内耗行为的影响。研究结果表明, 引入界面相有效改善了复合材料的微观结构及力学性能, 并降低了复合材料的内耗。其中, PyC/SiC复相界面中亚层SiC限制了PyC界面相与纤维的结合及塑性形变, 提高了复合材料的力学性能; 同时, 界面相对SiC/SiC复合材料内耗行为有显著影响, 材料内耗水平与界面剪切强度成反比。对比50和350 ℃时的材料内耗变化率发现, 随界面剪切强度增大, 材料内耗呈降低的趋势, 且含有PyC的PyC/SiC界面复合材料具有较低的内耗变化率, 说明PyC/SiC复相界面的SiC/SiC复合材料更适于高温振动环境。     

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。     

先驱体浸渍-裂解SiC界面改性涂层对气相渗硅3D-C_f/SiC复合材料力学性能的影响

界面改性涂层对调节复合材料的力学性能起到重要作用。特别是在气相渗硅(GSI)制备C_f/SiC复合材料时,合适的界面改性涂层一方面保护C纤维不受Si反应侵蚀,另一方面调节C纤维和SiC基体的界面结合状况。通过在3D-C纤维预制件中制备先驱体浸渍-裂解(PIP)SiC涂层来进行界面改性,研究了PIP-SiC涂层对GSI C_f/SiC复合材料力学性能的影响。结果表明:无涂层改性的GSI C_f/SiC复合材料力学性能较差,呈现脆性断裂特征,其弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性分别为87.6 MPa、56.9GPa和2.1 MPa·m~(1/2)。具有PIP-SiC界面改性涂层的C_f/SiC复合材料力学性能得到改善,PIP-SiC涂层改性后,GSI C_f/SiC复合材料的弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性随着PIP-SiC周期数的增加而降低,PIP-SiC为1个周期制备的GSI C_f/SiC复合材料的力学性能最高,其弯曲强度、弯曲模量、断裂韧性分别为185.2 MPa、91.1GPa和5.5 MPa·m~(1/2)。PIP-SiC界面改性涂层的作用机制主要体现在载荷传递和"阻挡"Si的侵蚀2个方面。     

基于细观有限元方法的复合材料横向力学性能分析

横向断裂是制约复合材料结构设计的关键点,传统细观模型因为不能充分考虑组分性能、体积分数和纤维形状及分布情况而不能有效预测材料横向力学性能。采用改进的随机序列吸收算法建立具有随机纤维分布的复合材料代表性体积单胞模型,考虑基体破坏和界面脱粘两种失效模式和固化过程中产生的残余应力,对模型在横向拉、压、剪3种载荷下的力学行为进行仿真计算。分析了不同界面强度对复合材料力学性能的影响规律。仿真结果与实验数据对比表明:横向模量预测误差在7%以内,压缩和剪切的强度误差在8%以内,结果一致性较好,表明该模型能够有效预测复合材料横向力学性能。     

CF/PMR-15复合材料界面的湿热稳定性研究

研究了CF/PMR-15复合材料界面对湿热的稳定性.结果表明:水在复合材料中的扩散系数与界面粘结强度有关,经沸水浸泡后的复合材料,其ILSS(层间剪切强度)和界面剪切强度均有所提高;SEM复合材料断面观察表明:力学性能的变化与纤维-基体面粘结的湿热稳定性有直接关系;最后讨论了水对界面的作用机理.     

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。      

偶联剂处理SiC纤维增强PTFE复合材料的性能

用共混冷压成型法制备了SiC短纤维(未处理和偶联剂表面处理)增强聚四氟乙烯(PTFE)复合材料,测试了复合材料的力学和摩擦磨损性能,研究了表面处理对PTFE复合材料性能的影响,用扫描电子显微镜(SEM)对拉伸断面形貌进行观察,探讨了纤维增强复合材料的机理。研究结果表明:偶联剂处理SiC纤维表面后,复合材料的拉伸强度、冲击强度、减摩耐磨性能均比未处理的有所提高。拉伸断面的SEM分析表明,未处理SiC纤维与PTFE的界面黏结较差,界面出现了许多空隙,偶联剂处理后,SiC纤维与PTFE界面黏结较好,在拉伸过程中多数SiC纤维被基体牢固黏附而难以拔出。     

不同界面SiC/SiC复合材料的断裂行为研究

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC)是极具前景的高温结构材料。通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺分别制备了PyC界面和CNTs界面SiC/SiC复合材料, 对两种SiC/SiC复合材料的整体力学性能以及界面剪切强度等进行了测试表征, 并对材料中裂纹的产生与扩展进行了原位观测。结果表明, 两种界面SiC/SiC复合材料弯曲强度相近, 但PyC界面SiC/SiC复合材料的断裂韧性约为CNTs界面SiC/SiC复合材料的两倍。在PyC界面SiC/SiC复合材料中, 裂纹沿纤维-基体界面扩展, PyC涂层能够偏转或阻止裂纹, 材料呈现伪塑性断裂特征; 而在CNTs界面SiC/SiC复合材料中, 裂纹在扩展路径上遇到界面并不偏转, 初始裂纹最终发展为主裂纹, 材料呈现脆性断裂模式。     

先驱体浸渍裂解结合化学气相渗透工艺下二维半和三维织构SiC/SiC复合材料的结构与性能

通过先驱体浸渍裂解工艺结合化学气相渗透工艺(PIP+CVI)制备了二维半(2.5D)和三维(3D)编织结构的碳化硅纤维增强碳化硅基(SiC/SiC)复合材料,对两者的密度、热导率、力学性能以及微观结构等进行了测试分析。结果表明,PIP+CVI工艺制备的SiC/SiC复合材料具有较低的密度(1.98~2.43g·cm-3)和热导率(0.85~2.08 W·m~(-1)·K~(-1)),初期CVI纤维涂层能够提高纤维-基体界面剪切强度(~141.0 MPa),从而提高SiC/SiC复合材料的力学性能,后期CVI整体涂层明显提高了2.5DSiC/SiC复合材料的密度、热导率和力学性能,对3DSiC/SiC复合材料性能的影响不明显。     

CVD-SiC界面改性涂层对气相渗硅制备C_f/SiC复合材料力学性能的影响

在气相渗硅制备C_f/SiC复合材料时,界面改性涂层非常重要。良好的界面改性涂层一方面起到保护碳纤维不受Si反应侵蚀的作用,另一方面起到调节纤维和基体界面结合状况。通过在C纤维表面制备CVD-SiC涂层来进行界面改性,研究CVD-SiC界面改性涂层对GSI C_f/SiC复合材料力学性能和断裂特征的影响,并分析其影响机制。结果表明:无CVD-SiC涂层改性的C_f/SiC复合材料力学性能较差,呈现脆性断裂特征,其强度、模量和断裂韧度分别为87.6MPa,56.9GPa,2.1MPa·m1/2。随着CVD-SiC涂层厚度的增加,C_f/SiC复合材料的弯曲强度、模量和断裂韧度呈现先升高后降低的趋势,CVD-SiC涂层厚度为1.1μm的C_f/SiC复合材料的力学性能最好,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为231.7MPa,87.3GPa,7.3MPa·m1/2。厚度适中的CVD-SiC界面改性涂层的作用机理主要体现在载荷传递、"阻挡"Si的侵蚀、"调节"界面结合状态3个方面。     

三维机织陶瓷基复合材料的面内剪切性能及损伤研究

采用IOSIPESCU纯剪切试件, 考虑纤维的编织结构和失效机理, 研究了三维机织碳/碳化硅(C/SiC)复合材料在面内剪切载荷作用下的力学性能和损伤过程. 材料具有明显的非线性应力-应变行为和残余变形等特性. 材料主要的损伤机制为基体微裂纹开裂, 界面脱粘和纤维断裂, 其中界面裂纹是材料应力-应变等力学行为的主要影响因素. 基于连续介质损伤力学分析方法, 提出了简单的损伤演化模型并对损伤演化过程进行了描述.     

热压烧结制备SiC增强石墨复合材料及其性能

以天然鳞片石墨为起始原料,SiC颗粒为增强相,采用热压烧结工艺制备了SiC增强石墨复合材料。研究了SiC含量对SiC增强石墨复合材料微观结构、力学性能和摩擦性能的影响。结果表明:SiC颗粒均匀分布在石墨基体中,降低了基体中的孔隙率;随着SiC含量增加,SiC增强石墨复合材料的相对密度和弯曲强度相应增加,开孔率显著降低,当SiC含量达到40vol%时,SiC增强石墨复合材料中形成了SiC网络骨架结构,相对密度达到了94.2%,比商品高强纯石墨材料提高了11.8%,弯曲强度达到了146 MPa,比商品高强纯石墨材料提高了147%;基体石墨保持了层状结构;SiC含量低于40vol%时,SiC增强石墨复合材料的摩擦系数随SiC含量的增加轻微增加,与纯石墨材料的摩擦系数相当,具有良好的摩擦性能。