室温和高温下三维针刺炭/炭复合材料的弯曲性能及破坏机理（英文）

本文制备了高密度三维针刺炭/炭复合材料,研究了该材料在室温和高温下的弯曲性能,并从宏、细观角度研究了材料的变形与失效机理。结果表明,三维针刺炭/炭复合材料具有好的抗弯曲性能,400℃以下的载荷-挠度曲线呈线弹性和脆性破坏特征;而更高温度下的曲线表现出明显的韧性和塑性失效。由于氧化作用的加重,材料的弯曲性能随着温度的升高而显著减小。材料呈现锯齿状断裂特征,在500℃以下,主要的损伤形式表现为基体开裂,90°纤维/基体脱粘,0°纤维的局部扭曲和断裂;而在更高温度下,复合材料的氧化特征更加明显,纤维和基体间的界面粘结性能显著下降。     

三维编织复合材料振动阻尼特性的实验研究

采用悬臂梁自由振动衰减实验方法研究三维编织复合材料的振动阻尼特性,分析编织角、纤维体积含量和编织结构对三维编织复合材料振动阻尼特性的影响.根据测量得到的三维编织复合材料的频率和模态,确定材料的纵向弹性模量.结果表明,三维编织复合材料的阻尼性能随编织角的增大、纤维体积含量的降低而提高;而五向编织结构的材料阻尼性能比四向编织结构的材料优异.此外,确定的纵向弹性模量随编织参数的变化规律与文献中的结果一致.     

三维七向编织结构细观分析

根据三维编织的主要工艺, 系统地分析了三维七向编织物纱线的面内和空间运动规律。在此基础上,建立了能反映其基本结构的几何单胞模型, 并推导了编织参数之间的数学关系, 为进一步分析三维七向编织复合材料的力学性能奠定了基础。      

三维六向编织复合材料弹性性能理论预测

在三维六向编织物纱线运动规律的基础上, 建立了单胞模型, 推导了编织参数之间的数学关系。基于该模型, 采用改进的刚度平均化方法, 导出了三维六向编织复合材料的工程弹性常数, 分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响。结果表明, 三维六向编织复合材料具有良好的力学性能, 由于面内纬纱的加入, 使面内的力学性能得到了提高。      

三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的压缩性能及破坏机制

针对不同编织角、 不同纤维体积分数的三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料在不同温度下进行了纵向(编织方向)压缩和横向压缩试验 , 获得了其主要压缩力学性能 , 分析了编织参数、 温度对材料压缩力学性能的影响。对试件断口进行了宏观及扫描电镜观察 , 从宏、 细观角度研究了材料的变形及其破坏机制。结果表明 , 三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的压缩应力2应变曲线呈现明显的非线性特征 , 且温度效应明显; 编织角和纤维体积分数是影响材料压缩性能的主要参数。三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的纵向压缩与横向压缩具有完全不同的破坏机制。      

基于桥联模型预报三维五向编织复合材料的刚度和强度

基于三维五向编织复合材料细观单胞模型,将材料内部、表面、棱角区域内具有相同走向的纤维束简化为单向复合材料,利用桥联模型,确定了单向复合材料的柔度矩阵,将具有不同材料主向的单向复合材料的刚度通过体积进行平均,得到了三维五向编织复合材料的总体刚度矩阵,进一步计算得到材料的工程弹性常数;以单向复合材料为基础,宏观上基于等应变假设,结合桥联模型,确定出材料内各组分(纤维束和基体)的细观应力分布,对纤维束采用Hoffman失效准则,基体采用Mises失效准则,预报了三维五向编织复合材料的拉伸强度。结果表明,三维五向编织复合材料的刚度和强度的预测值与实验值吻合较好,验证了本文分析模型的有效性。     

高温炭化处理对三维五向碳/酚醛编织复合材料拉伸性能的影响

对未经炭化和经不同温度炭化处理后的三维五向碳/酚醛编织复合材料进行了纵向和横向拉伸实验, 获得了拉伸应力-应变曲线, 并确定了材料的拉伸强度、 拉伸模量、 破坏应变和泊松比等主要力学性能, 分析了这类材料经不同温度炭化处理后拉伸力学性能的变化规律。对试件拉伸实验后的破坏断口进行了宏观和微观分析, 探讨了材料的变形和破坏机理。实验结果表明: 随炭化处理温度的增加, 三维五向碳/酚醛编织复合材料的纵向、 横向拉伸强度和拉伸模量均呈先降后升的趋势, 存在一个转折温度, 超过该温度, 材料的拉伸强度和拉伸模量从下降变为上升, 但拉伸模量的变化幅度较小; 但是, 随着炭化温度的升高, 材料的破坏应变是逐渐降低的。通过形貌观察和树脂热分解机理分析, 认为在不同的炭化处理温度下, 材料的细观组织结构演变存在明显的差异, 因此造成了材料力学性能的变化。      

三维五向编织复合材料的细观结构分析

针对三维五向编织复合材料的优异性能与其细观结构的密切关系，在分析三维五向编织物纱线的运动规律的基础上，建立了三维五向编织结构的单胞模型，并推导了有关参数之间的数学关系，计算了纤维体积含量、实验数据和理论预测吻合较好。     

树脂基三维编织复合材料蠕变性能分析

采用拉伸蠕变试验方法研究了树脂基三维编织复合材料的蠕变性能，分析了编织结构、编织角和纤维体积含量对三维编织复合材料蠕变性能的影响．实验结果表明：在本文试验条件下，树脂基三维复合材料的蠕变曲线分为减速和恒速两个阶段；三维编织复合材料的抗蠕变性能随编织角的减小、纤维体积含量的增加而提高，且三维五向结构的抗蠕变性能优于三维四向结构的抗蠕变性能．     

三维多向编织复合材料弯曲模量的理论预测

基于单胞分析模型,采用改进的刚度平均化方法,对三维四向和五向编织复合材料的各单胞及各层的弹性性能进行预测与分析;进一步,利用材料力学理论,推导材料的弯曲模量,分析编织角、纤维体积含量以及试件尺寸对其的影响,并与拉伸模量及试验值进行比较.结果表明,三维编织复合材料的不同胞体及各层之间的弹性性能存在较大差异,并且材料的弯曲模量大于拉伸模量.研究还表明,编织角和纤维体积含量是影响材料弯曲模量的重要参数,弯曲弹性性能受试件厚度的影响比宽度大,当宽度和厚度达到一定尺寸时,弯曲模量会趋于定值.此外,三维五向编织复合材料的弯曲弹性性能明显优于三维四向编织复合材料.