鹿茸矿化胶原纤维迂回绕孔结构及仿生研究

扫描电镜观察显示鹿茸皮质层是一种由矿化胶原纤维和胶原蛋白基体组成的层状天然生物陶瓷复合材料。观察也发现在鹿茸皮质层中存在许多微孔洞,而起增强作用的羟基磷灰石纤维是迂回地环绕这些孔洞,构成一种矿化胶原纤维迂回绕孔结构。基于观察的结果,建立纤维迂回绕孔结构和纤维非迂回绕孔结构复合材料细观分析模型,分析比较了纤维迂回绕孔结构和纤维非迂回绕孔结构的断裂强度。结果表明,纤维迂回绕孔结构的断裂强度明显大于纤维非迂回绕孔结构的断裂强度。基于实验和分析的结果,用碳纤维和环氧树脂进行了仿生纤维迂回绕孔结构复合材料的制备,并对得到的纤维迂回绕孔结构复合材料与纤维非迂回绕孔结构复合材料进行了断裂强度的比较测试。结果显示,纤维迂回绕孔结构复合材料的断裂强度明显大于纤维非迂回绕孔结构复合材料的断裂强度。     

龙虾外骨骼矿化几丁质纤维片旋转结构研究

扫描电镜观察显示龙虾外骨骼是一种由矿化几丁质纤维层与胶原蛋白质构成的自然生物陶瓷复合材料。其中的矿化几丁质纤维首先构成纤维片,进而矿化几丁质纤维片组成平行于龙虾外骨骼表面的层状结构。观察也发现相邻纤维层中的矿化几丁质纤维片保持一个固定的夹角旋转,构成一种几丁质纤维片旋转结构。建立纤维片旋转结构模型,分析了与龙虾外骨骼断裂韧性密切相关的纤维片旋转结构的拔出力,并将其与纤维片非旋转结构的拔出力进行比较,结果表明纤维片旋转结构的拔出力明显大于纤维片非旋转结构的拔出力,实验验证了模型分析的结果。研究结果为高性能陶瓷复合材料设计提供有益指导。     

龙虾壳矿化几丁质纤维片交叉微结构

扫描电镜观察显示龙虾壳是一种由矿化几丁质纤维层与胶原蛋白质构成的自然生物陶瓷复合材料。其中的矿化几丁质纤维层平行于龙虾壳的表面层状排列,而矿化胶原蛋白质作为基体分布其间起粘接的作用。进一步仔细观察矿化几丁质纤维层,发现它们又是由非常薄且垂直于纤维层的矿化几丁质纤维片所组成。观察也发现不同纤维层中的矿化几丁质纤维片具有不同的方向,它们构成一种纤维片交叉微结构。通过模型分析研究了与龙虾壳断裂韧性密切相关的纤维片交叉微结构的最大拔出力,并将其与纤维片平行微结构的最大拔出力进行比较,结果表明矿化几丁质纤维片交叉微结构的最大拔出力明显大于纤维片平行微结构的最大拔出力,实验验证了模型分析的结果。研究结果为高性能陶瓷复合材料设计提供有益指导。     

丽文哈贝壳螺旋微结构研究

对丽文哈贝壳的微结构进行了扫描电镜(SEM)观察,观察显示它是由无机霰石层和有机胶原蛋白组成的一种生物陶瓷复合材料,其中无机霰石层平行于贝壳表面整齐排列.观察也显示这些霰石层是由长而薄的霰石片所组成,不同霰石层中的霰石片具有不同的方向,构成螺旋等铺层形式.更仔细的观察显示每一霰石片又是由长而细的霰石纤维所组成,最细的霰石纤维具有纳米的尺度.根据在贝壳中观察到的螺旋结构,进行了螺旋结构和平行结构最大拔出力的比较实验研究,结果显示螺旋结构的最大拔出力大于平行结构的最大拔出力,它使贝壳具有高的强韧性.研究结果对高性能仿生陶瓷复合材料设计提供了有益指导.     

SiC_f/TC17复合材料拉伸行为研究

研究了Si Cf/TC17复合材料的室温、高温(773 K)拉伸性能及其断裂机制.结果表明:Si Cf/TC17复合材料室温、高温应力-应变曲线受纤维线弹性变形和基体屈服程度影响呈现不同的形状;室温断裂机制主要是反应层多次断裂、纤维一次断裂和基体脆性断裂等,高温断裂机制主要是纤维多次断裂、基体韧性断裂和大范围的界面脱黏等;纤维累计损伤理论适合于对Si Cf/TC17复合材料断裂强度的估测,其中室温断裂强度符合临界断裂纤维数大于或等于3时的局部承担载荷模型,高温断裂强度符合均匀承担载荷模型.结合断裂机制和强度估算结果,详细论述了Si Cf/TC17复合材料室温、高温拉伸断裂过程.     

SLM成形Ti-6Al-4V合金梯度结构的组织和力学性能

本文设计一种上下层致密、中间多孔的"三明治"梯度结构材料,多孔层分别采用19.6、23.0和333.3J/mm3的能量密度制备出A、B、C三种不同孔隙率的梯度结构,并对其组织和力学性能进行研究。结果表明:A型结构孔洞是无明显取向的连通孔,多孔层看不到明显的初生β柱状晶;B型结构是大量孤立孔伴随少量垂直于成形方向的连通孔,含有少量不连续的β柱状晶;C型结构多孔层的孔洞是截面为近圆形的孤立孔,多孔层中存在粗大的等轴晶。A型结构下致密层和多孔层的结合强度仅为72.3 MPa,在热应力作用下产生开裂;B型结构的拉伸强度可以达到979.1 MPa,伸长率为4.54%;C型结构的抗拉强度为1121.7 MPa,伸长率为7.05%。A、B、C型梯度结构的压缩弹性模量分别为19.7、31.5和43.7 GPa。     

石英纤维增强陶瓷基复合材料制孔工艺研究

本试验针对目前硬质合金刀具加工石英纤维增强陶瓷基复合材料时存在的刀具磨损严重、加工质量差、效率低下等问题,对比了硬质合金刀具钻孔、PCD刀具钻孔和电镀金刚石套料钻螺旋铣磨制孔的效果,分析了切削力对制孔质量的影响。研究结果表明:纬纱纤维对X向和Y向切削力的影响明显大于经纱纤维,垂直于纬纱纤维方向的切削力较小,平行于纬纱纤维方向的切削力较大;PCD刀具钻孔质量相对较好,刀具磨损不明显,适用于石英纤维增强陶瓷基复合材料的制孔加工。      

热压工艺对碳纤维—铜复合材料横向断裂强度影响

采用热压法制碳纤维－铜复合材料，其中碳纤维呈单向分布。研究了热压工艺对其横向断裂强度的影响，结果表明：随压力、时间延长，复合材料横向强度增加，但到达一定程度后，其横向强度不变，温度小于７００℃时，复合材料强度随温度增加而增加，当温度在大于７００℃时，随温度增加强度反而下降，扫描电镜观察断口表明，复合材料断裂有二种模型：（１）基体断裂；（２）纤维和铜界面断裂。     

贝壳高刚度及高强度的微结构机理

基于对贝壳微结构的观察,选取贝壳及文石纤维的代表性体积单元,利用复合材料细观力学和断裂力学的基本原理和准则,分析了文石纤维微结构特征使贝壳获得高刚度及高强度的机理。结果表明文石纤维在贝壳中的大体积分数使贝壳具有高的变形刚度,而它们的小尺寸直径又使得贝壳具有高的断裂强度。     

连续玄武岩纤维增强铝基层状复合材料的制备与力学特性

将连续玄武岩纤维(continuous basalt fiber,CBF)二维编织布与Al-12Si合金箔交替叠层堆垛成三明治结构,再利用真空压力浸渗技术成功制备出高体积分数(65%)的连续玄武岩纤维增强铝基(CBF/Al)层状复合材料。研究了浸渗工艺对复合材料微观组织演变的影响规律,阐明了CBF/Al复合材料的层状结构形成机理,并评价了其力学性能。研究表明:在温度为660℃、压力为10 MPa条件下浸渗10 min可以获得全致密的CBF/Al复合材料,其微观组织呈现独特的层状结构,即玄武岩纤维在铝合金基体中呈现垂直交叉层状分布特征,玄武岩纤维与铝合金基体未发生明显的化学反应,且由于玄武岩纤维与铝合金基体之间发生了元素(如Al、Si等)互扩散而形成了良好的冶金结合界面。纤维非理想排布方式而导致的有效承载能力下降以及高温下玄武岩纤维断裂强度降低是CBF/Al层状复合材料未达到理想力学性能的关键因素。     

Bending mechanical property and failure mechanisms of woven carbon fiber-reinforced aluminum alloy composite

Copper-coated woven carbon fiber-reinforced aluminum alloy composite was prepared by spark plasma sintering (SPS). Microstructure, three-point bending mechanical property, and the failure mechanisms of the composite were investigated. Microstructure observation shows that the carbon fibers bond compactly with matrix alloy. Compared with the matrix aluminum alloy, the bending strength, ductility, fracture energy, and cracking resistance of the composite are evidently improved. Microstructure analyses reveal that the high specific strength of carbon fibers and transfer of stress from matrix alloy to carbon fibers are responsible for the increase of the composite bending strength. The expanding of cracks is restrained, and cracking resistance of the composite is improved by adding woven carbon fiber. Attributed to the carbon fibers’ debonding, cracks deflection, and multipath propagation mechanisms, the fracture energy of the composite increases.     

机械镀Zn-Ti复合镀层的性能

在机械镀锌中添加钛盐,获得了Zn-Ti复合镀层,使得镀层具有比纯锌镀层更加优良的耐蚀性能.试验中利用体视显微镜、扫描电子显微镜观察分析了机械镀Zn-Ti复合镀层的表面形貌和断口结构,对其孔隙率、结合强度、耐腐蚀性等性能进行检测,并分析添加钛盐对镀层性能的影响.结果表明:机械镀Zn-Ti复合镀层是一种综合性能优良的防护镀层,比机械镀纯锌层外观更为均匀光滑,无贯穿性孔隙,结合力和耐腐蚀性均优于机械镀锌层.     

Cf／SiO2复合材料的组织性能与强韧化机理

采用真空热压烧结工艺制备了高致密的短C纤维（Cf)补强增韧SiO2基复合材料,研究了其组织结构、力学性能和强韧化机制。10％Cf/SiO2复合材料非晶态基体SiO2只发生部分晶化,Cf在基体中分布较均匀,并呈层状分布。复合材料强度、断裂韧性和断裂应变均基体显著改善,分别达到74MPa,2.4MPa.m^1/2和0．144％。压痕裂纹扩展行为和断口分析表明,Cf的桥接、拔出和诱导裂纹传转等是复合材料的强韧化机制。     

Micromechanical modelling of deformation and failure in Ti–6Al–4V/SiC composites

The tensile behaviour and the associated fracture micromechanisms were determined in a Ti–6Al–4V alloy uniaxially reinforced with 35 vol. % Sigma 1140+SiC monofilaments. Damage in the form of fiber fracture was localized in a given section of the composite, and the critical micromechanical parameters which control the composite behavior (namely the matrix elasto-plastic response, the fiber elastic modulus and strength, the interfacial sliding resistance, and the residual stresses originated by the thermal expansion mismatch between matrix and fibers) were determined using various experimental and analytical techniques. They were used as input data to simulate the composite deformation and fracture. The composite stress–strain curve was determined by the self-consistent method. The failure locus was determined by computing the probability of nucleating clusters containing one, two, three or more broken fibers. The analysis was based on the stress concentration introduced by one fiber failure in its neighbours, which was determined from the finite element analyses of a representative volume of the composite containing one fiber break, and included the effects of matrix plasticity, residual stresses, and interfacial sliding. This result was extended to analyze the stress concentration around a cluster of broken fibers by a superposition technique. The average composite strength and the extent of damage were accurately predicted by the model when failure was dictated by the nucleation of a cluster containing two neighbour broken fibers. These results demonstrate the potential of the new model to assess the strength and ductility of fiber-reinforced composites which fail under local load sharing conditions by the unstable propagation of a cluster of broken fibers.     

TiAl与Si3N4f/Si3N4复合材料钎焊接头界面结构及性能研究

采用AgCuTi钎料实现了TiAl与Si3N4f/Si3N4复合材料的钎焊,确定了钎焊接头的典型界面组织结构为TiAl/AlCuTi/Ag(s,s)/TiN/Si3N4f/Si3N4。钎焊过程中,液相钎料在Si3N4f/Si3N4复合材料表面发生较好润湿,钎料中活性元素Ti与Si3N4基体及纤维发生反应形成连续的TiN化合物层。过高的钎焊温度或过长的保温时间导致钎缝中脆性的AlCuTi化合物增加,且由于接头应力的作用在钎缝中产生微裂纹甚至开裂,严重地降低了钎焊接头性能。当钎焊温度T=850℃,保温时间为10min时,接头抗剪强度达到最大,为9.4MPa,超过Si3N4f/Si3N4母材层间抗剪强度的60%。断口分析表明:压剪过程中,断裂发生在Si3N4f/Si3N4复合材料一侧。     

TiNb／Ti—48Al—2Cr—2Nb复合材料的力学性能和断裂特征

采用粉末冶金、热压成型工艺制备了TiNb/Ti-48Al-2Cr-2Nb(TACN)基复合材料。研究了复合材料的弯曲性能和断裂特征。实验结果表明：复合材料的性能较基体有较大的提高,用混合法则来进行预测复合材料的力学性能和实验中所得结果十分接近;这种工艺制备的复合材料界面由全片层组织构成,纤维和基体的结合状态良好,纤维损伤比例较小。     

Al-Mg系自生纤维增强铝基复合材料组织与性能

为解决金属基复合材料中外加增强体与基体间异质界面对材料性能带来的不利影响，提出一种基于粉末冶金技术的原位复合新工艺，并制备出自生金属间化合物纤维增强铝基复合材料。研究结果表明，原位生成的金属间化合物纤维均匀分布在基体中，并平行于材料制备时的挤出方向；原位复合材料的增强效果明显，屈服强度比外加复合材料和基体分别高出28％和95．7％，断裂强度则相应提高了20．6％和88．5％；原位复合材料的强化机制主要是基体和增强体间界面结合良好，既能发挥基体的塑韧性，又能有效发挥自生增强体的强度优势，材料的断裂机制为自生纤维脆性断裂和劈裂。本研究同时表明，此方法工艺简单，成本低廉，且效率高，容易实现产业化。     

单向碳化硅短纤维增强玻璃陶瓷材料弯曲断裂行为的研究

制备了单向短碳化硅纤维增强玻璃陶瓷的复合材料。研究了复合材料的弯曲断裂行为，以及相关的增强机制。结果表明．短碳化硅纤维可以有效提高玻璃陶瓷的断裂强度，纤维体积分数为30％时，沿纤维方向的平均弯曲断裂强度是基体材料的3倍：短碳化硅纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的弯曲应力-挠度曲线、以及断裂行为具有与长纤维复合材料类似的特征．其断裂方式为非灾难性断裂。单向短碳化硅纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的主要增强机制为纤维脱粘、纤维滑移、纤维桥接、纤维断裂与纤维拔出。     

退火对TA1/5052爆炸复合板界面组织与性能的影响

将TA1/5052爆炸焊接复合板在350、400及450 ℃分别保温1、3、6、9 h退火,对退火前后复合板组织和性能进行分析。结果表明:随退火温度升高,原子扩散加剧,界面形成的扩散层逐渐变厚;退火过程中铝易于向钛侧扩散,白色亮带和柯肯达尔孔洞主要位于靠近界面的5052铝合金侧;退火前界面处物相组成为α-Ti、α-Al、TiAl₃,经350、400 ℃退火3 h及450 ℃退火1、3、6、9 h后,物相组成不变。经不同温度退火后,复合板界面抗拉强度低于退火前,而断面收缩率和伸长率明显高于退火前。拉伸断口分析表明,复合板TA1侧为以脆性断裂为主、韧性断裂为辅的韧脆混合断裂,5052侧为韧性断裂;复合板在350 ℃退火时界面剪切强度和剥离强度最大,较爆炸态分别增加8.24%和45.68%,随退火温度升高,界面剪切强度和剥离强度降低。退火前后界面结合区硬度均高于基复板两侧硬度,且随离界面距离增加,硬度逐渐降低直至降至钛铝两侧母材硬度。退火后界面结合区硬度明显低于爆炸态硬度。