复合材料中增强粒子与基体中微观应力和残余应力分析

按球对称模型对粒子增强复合材料中热膨胀差(DCTE)热应力和残余应力进行了弹-塑性分析。结果表明,热应力或残余应力具有短程分布特点;粒子内部为常水静应力,界面和基体中径向应力与粒子内部同号,切向和周向应力与径向应力符号相反。存在一个基体发生初始屈服的临界温差t_P,屈服范围随温差|t|而扩大。单程变温产生的残余应力与热应力完全相同;经过一个热循环后,若温差小于t_P则残余应力为零;若大于t_P,则在粒于和基体中产生残余应力。讨论了粒子形状和尺寸对残余应力和基体塑性变形对复合材料性能的影响。     

内嵌弹性区和结合力模型在薄膜/基底界面断裂中的应用

薄膜/基底结构是微电子学和材料科学中广泛应用的典型结构。由于加工工艺中材料力学、热学性能失配等原因导致的薄膜中出现的残余应力,是界面裂纹的萌生和扩展的重要原因。采用三参数(Γ₀, /σ_y,t)的修正的断裂过程区结合力模型,讨论了在塑性氛围下裂尖解理断裂的过程,裂尖应力分布,裂尖形貌和表征裂纹尖端断裂过程区特征参数对断裂过程的影响,并应用到均质金属薄膜/陶瓷基底结构中残余应力导致界面裂纹起裂和扩展的全过程分析中。     

EPDM/Al(OH)3 复合材料界面结构参数表征研究

采用动态力学分析(DMA ) 研究了EPDM/Al(OH)₃ 复合材料的界面结构参数, 提出了用DMA 分析估算复合材料界面层厚度的新方法, 讨论了Al(OH)₃ 粒子表面状态对EPDM/Al(OH)₃ 复合材料界面结构参数的影响。     

硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的界面微观结构及力学性能

以晶化的硅酸铝短纤维（Al₂O₃-SiO₂ ）_sf为增强体、用磷酸铝为预制体粘结剂,通过挤压浸渗工艺制备了（Al₂O₃-SiO₂ ）_sf /AZ91D镁基复合材料。通过光学显微镜、TEM和HREM分析研究了复合材料的界面微观结构和界面反应产物。结果表明：用挤压浸渗法制备的硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料的界面厚度约为100 nm,界面上除有一定数量的MgO颗粒和少量的MgAl₂O₄和Mg₂Si颗粒外, 还有少量的MgP₄等反应产物存在;硅酸铝增强纤维与镁合金基体之间形成了较强界面结合,界面微观结构比较理想。力学性能测试表明,与AZ91D基体合金相比,复合材料的室温抗拉强度提高了约18%,弹性模量提高了约58%。     

Mo/Ni3Al复合材料的抗氧化性能的研究

本文研究了Mo/Ni₃Al复合材料的抗氧化性能.结果指出,Mo/Ni₃Al复合材料在不同温度下的氧化动力学特征服从抛物线规律.随氧化试验温度升高,氧化增重明显增加.MoO₂在高温下被氧化成MoO₃,对Mo/Ni₃Al复合材料的抗氧化性能具有不利的影响.     

SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料弯曲力学性能及其评价

采用三点弯曲法,对SiC颗粒增强铝合金基梯度复合材料的弯曲力学性能进行了研究,提出了梯度复合材料抗弯强度比R₁和R₂两个新的力学性能评价指标。结果表明:金属基梯度复合材料(MMGC)的弯曲力学性能与其基本组分力学性能的关系不符合ROM法则,材料的抗弯强度和最大挠度强烈地受到SiC颗粒梯度分布方式与弯曲方向的影响;当基体处于受拉侧,高SiC含量组分处于受压侧时,MMGC能充分发挥其性能优势;MMGC在受梯度应力作用下的力学性能优势和其方向性特征受到材料状态、材料宏观不均匀性和微观连续性等因素的影响;MMGC的抗弯强度比R₁反映了这类材料的性能优势,而抗弯强度比R₂则反映了材料的方向性能特征。     

SiCP/ZA27复合材料界面微结构分析及高温蠕变性能

利用透射电镜分析和高温持久硬度试验,研究了SiC_P/ZA27复合材料界面微结构和高温蠕变性能。结果表明,SiC_P/ZA复合材料具有较好的高温蠕变性能。对其试样进行微观分析,基体中的η相和增强相SiC_P都能显著提高ZA27合金的高温蠕变性能。     

考虑纤维随机分布的复合材料热残余应力分析及其对横向力学性能的影响

建立了考虑纤维随机分布并包含界面的复合材料微观力学数值模型,模拟玻璃纤维/环氧复合材料固化过程中的热残余应力。通过与纤维周期性分布模型的计算结果进行对比,发现纤维分布形式会对复合材料的热残余应力产生重要影响,纤维随机分布情况下的最大热残余应力明显大于纤维周期性分布的情况下。研究了含热残余应力的复合材料在横向拉伸与压缩载荷下的损伤和破坏过程,结果表明:热残余应力的存在显著影响了复合材料的损伤起始位置和扩展路径,削弱了复合材料的横向拉伸和压缩强度。在横向拉伸载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度有所下降,断裂应变显著降低;在横向压缩载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度略有下降,但失效应变基本保持不变。由于热残余应力的影响,复合材料的横向拉伸和压缩强度分别下降了10.5%和5.2%。      

单层和三层结构的PVDF基复合材料介电与储能特性

通过水热合成法制备CaCu₃Ti₄O₁₂球型颗粒填料,以PVDF为基底,采用溶液逐层涂覆法制备单层和三层结构的PVDF基复合材料。利用X-射线衍射仪和扫描电镜表征材料的微观组织结构,LRC测试仪和铁电综合测试工作站测试其电学性能,研究低填充浓度和多层结构对PVDF基复合材料微观结构、介电特性、极化强度、耐电压特性和储能特性的影响规律。结果表明,CaCu₃Ti₄O₁₂填料的尺寸约为200 nm,增加其填充浓度,可以提高单层PVDF/CaCu₃Ti₄O₁₂复合材料的介电特性与极化强度；在3.0vol.%填充量下,复合材料达到最大的介电常数13.2、介电损耗0.074和电位移极化强度4.04 μC/cm²；而在0.5vol.%的超低填充量下,复合材料达到最大的释放能量密度3.51 J/cm³。三层结构的PVDF基复合材料体系中,在上下层复合材料的高介电极化特性与中间层材料的击穿阻挡特性的协同作用下,获得了综合储能特性优化的PVDF基复合材料,使其在300 kV/mm的低电场强度下,达到最高的释放能量密度4.36 J/cm³。     

B4C包覆ZTA颗粒增强铁基复合材料制备与性能

ZTA (ZrO₂增韧Al₂O₃)陶瓷颗粒表面包覆B₄C微粉,将其制备成蜂窝状结构陶瓷预制体。采用传统重力浇注工艺将陶瓷预制体与熔融的高铬铸铁(HCCI)金属溶液进行复合,获得ZTA陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合材料。对复合材料中ZTA陶瓷颗粒增强相与高铬铸铁基体之间的界面及复合材料的耐磨料磨损性能进行了研究。结果表明,ZTA陶瓷颗粒与高铬铸铁界面结合处形成了明显的过渡区域,界面过渡区域的存在提高了陶瓷颗粒与金属基体的结合,从而提升了复合材料的整体稳定性能。同时,三体磨料磨损试验表明该复合材料的耐磨料磨损性能是高铬铸铁的3.5倍左右。     

Three-dimensional stress analysis of cracked satin woven carbon fiber reinforced/polymer composites under tension at cryogenic temperatures

We present a thermo-mechanical stress analysis for five harness satin (5HS) woven carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composite laminates with cracks under tension at cryogenic temperatures. The three-dimensional finite element model assumes the cracks to be located in the transverse fiber bundles and to span the thickness of the fiber bundles. Numerical calculations are carried out, and the Young’s modulus and stress distributions near the crack fronts for two-layer and infinite-layer woven composite laminates are obtained and shown in graphical form. Results of this analysis demonstrate the effects of the residual thermal stresses and cracks on the mechanical behavior.     

More on the effects of thermal residual and hydrostatic stresses on yielding behavior of unidirectional composites

The influence of manufacturing process thermal residual stresses and hydrostatic stresses on yielding behavior of unidirectional fiber reinforced composites has been investigated when subsequently subjected to various mechanical loadings. Three-dimensional finite element micro-mechanical models have been used. The results of this study reveal that the size of the initial yield surface is highly affected by the thermal residual and hydrostatic stresses. It was also found that effects of a uniform temperature change on the initial yield surface in the composite stress space is not equivalent to a solid translation of the surface in the direction of the hydrostatic stress axis. At the micro-level, magnitudes of various stress components within the matrix due to the thermal residual and hydrostatic stresses are different. However, at a macro-level, both temperature change and hydrostatic loading of composites show similar effects on the initial yield surface in the composite stress space. In an agreement with experimental data, results also show that residual stresses are responsible for asymmetric behavior of composites in uniaxial tension/compression in the fiber direction. This asymmetric behavior suggests that the existing quadratic yield criteria need modification to include thermal residual stress effects.     

碳纤维/环氧树脂预浸带铺放应力场及制品微观结构的模拟与实验

碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料在铺放成型时,由于树脂基体与碳纤维之间的热膨胀系数存在差异以及成型时热-力参数作用下由于纤维的变形而导致纤维与基体接触处产生应力集中等原因,在制品材料中会产生热残余应力。针对碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的实际结构特点,利用ABAQUS有限元软件建立含有界面的碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的细观代表性体积单元(Representative volume element, RVE)有限元模型,采用实验研究和有限元仿真分析的方法,研究在温度-压力参数作用下预浸带铺放制品残余应力的分布规律及影响机理。首先,建立预浸带铺放时的温度和压力模型,研究不同温度和压力参数条件下碳纤维/环氧树脂预浸带铺放制品残余应力的分布情况。其次,采用耦合降温法模拟碳纤维/环氧树脂预浸带残余应力随纤维体积含量、铺放压力以及铺放温度的变化规律,并采用扫描电镜对不同工艺参数条件下预浸带铺放制品的微观结构进行分析。通过对模拟结果进行分析比较得到各因素对制品残余应力的基本影响规律;最后进行不同温度和压力等铺放参数对预浸带铺放成型时残余应力影响的实验测试研究。      

形状记忆合金短纤维增强弹塑性基体复合材料的力学行为

基于Eshelby等效夹杂方法和Mori-Tanaka的平均化理论推导了针对SMA短纤维增强弹塑性基体复合材料的细观力学模型。利用此模型,分析了这种复合材料的力学行为,讨论了材料温度、纤维体积分数和纤维特征形状等参数对复合材料残余应力和残余应变的影响。这对复合材料的分析和设计都有重要的意义。      

The influence of distinct fiber arrangement on the thermo-mechanical behavior of steel fiber-reinforced thermoplastic matrix composites

The effect of different fiber arrangements on mechanical behavior was investigated by using both experimental study and finite elements analyses. In particular, this study examined resultant residual stresses and plastic strains of steel-fiber reinforced thermoplastic composite discs under constant convective air cooling conditions. Three composite discs were manufactured with an identical concentration of woven, circular and radial arrays. The thermal and mechanical properties of the composite discs were measured. The numerical and experimental cooling curves were converged to correctly describe the convective cooling condition of the finite element analyses. After the cooling, the residual stresses and plastic strains in each disc were compared with one another and the results were analyzed. No thermal residual stress or plastic strain was observed for the woven fiber array. Residual stress and plastic strain found in the circular fiber array was twice as high as those in the radial fiber array. It is concluded that the reinforcement fiber array of thermoplastic composites is an effective parameter to describe their thermo-mechanical properties for the formation of thermal residual stresses and plastic deformation.     

热残余应力对考虑微观孔隙碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能的影响

为研究由于材料固化产生的热残余应力对碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能预测结果的影响,发展了一种基于摄动算法的纤维和孔洞随机分布代表性体积单元（RVE）生成方法,建立更加接近真实材料微观结构的RVE模型。通过施加周期性边界条件,并赋予组分（纤维、基体和界面）材料本构关系,进而实现温度和机械荷载下模型的热残余应力和损伤失效分析。从结果中发现,材料固化过程会在纤维之间产生残余压应力,在模型孔隙周围产生沿加载方向的残余拉应力。所建立不含孔隙RVE模型的失效均是由于界面脱黏引起,材料固化在纤维之间产生的残余压应力会增加模型的预测强度。含有孔隙的RVE模型失效起始于孔隙周围的基体中,而材料固化在模型孔隙周围产生的热残余拉应力对含孔隙RVE模型预测的失效强度有降低作用。对于具有不同孔隙尺寸的RVE模型,模型的失效强度随着孔隙尺寸的增加而不断降低,但是热残余应力减弱了孔隙尺寸对模型预测结果的降低作用。对于具有不同长宽比椭圆形孔隙的RVE模型,热残余应力增加了孔隙长宽比对模型强度的降低作用。      

基体特性对D-Al2O3/Al 合金复合材料力学行为的影响

基体行为是短纤维增强金属基复合材料中一个重要的因素。本文将通过实验分析方法和在一定的理论分析模型上, 借助于弹塑性有限元分析方法, 对基体特性的变化对D-Al₂O₃/Al 合金复合材料力学行为的影响作较为详细的研究, 其中包括基体性能对应力传递、抗拉强度以及断裂机理的影响。研究表明, 基体性能的变化显著影响基体与纤维间的应力传递, 从而对复合材料的抗拉强度和断裂机理产生较大的影响。     

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。     

氧化铝短纤维增强铝基复合材料的蠕变破坏行为

研究了挤压铸造Al₂O₃短纤维增强铝基复合材料在350℃恒应力条件下的蠕变行为。蠕变试验过程中采用中断实验的方法对复合材料的显微组织进行观察,发现复合材料在蠕变过程中纤维发生断裂,弱界面发生破坏以及基体合金在应力作用下发生变形。根据复合材料在蠕变三个阶段中显微组织的变化情况,对其宏观蠕变行为进行了分析,认为位错在复合材料中滑移和攀移控制整个蠕变过程,并提出了短纤维增强金属基复合材料的蠕变断裂机理,合理地解释了复合材料的蠕变过程。