Z-pin增强陶瓷基复合材料I型应变能释放率

碳纤维平纹编织物和碳纤维Z-pin制备的预成型体,通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层压板。通过双悬臂梁试验研究Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层压板的层间I型应变能释放率和增强机理。研究Z-pin面积密度对层间I型应变能释放率的影响。结果表明:Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料层压板主要增强机理表现为层间裂纹扩展受阻,Z-pin与层压板界面解离,Z-pin桥联裂纹和Z-pin拔出;增大Z-pin面积密度,层间I型应变能释放率增大。     

Z-pin增强陶瓷基复合材料拉伸和层间剪切性能

研究了Z-pin横向增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸和层间剪切性能。炭纤维平纹编织物和炭纤维Z-pin制备的预成型体, 通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料。通过单轴拉伸试验及加-卸载试验研究材料拉伸力学性能参数及破坏规律。采用双切口压缩试验测试材料的层间剪切强度。结果表明, Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线具有非线性特性; Z-pin嵌入降低了平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸强度, 显著提高了陶瓷基复合材料层间剪切强度, 使原来单纯层间基体与织物表面的脱离转变为Z-pin的剪切破坏和层间基体与织物的脱离双重破坏机理。     

Z向增强平纹编织C/SiC复合材料层间剪切强度(英文)

碳纤维平纹编织物和穿透厚度的碳纤维Z-pins制作的预成型体,通过化学气相渗透工艺制备了Z-pins增强平纹编织C/SiC复合材料。采用双缺口剪切压缩试验测定了Z-pins增强平纹编织C/SiC复合材料的层间剪切强度,通过断口的电镜照片分析了层间剪切的破坏机理。研究了Z-pins个数对层间剪切强度的影响。结果表明:与未增强陶瓷基复合材料相比较,当Z-pins个数达到一定数量时,Z-pins插入能够提高层间剪切强度,层间剪切强度随Z-pins个数的增多而增加。Z-pins插入改变了陶瓷基复合材料的层间破坏机理,使层间织物与基体的脱离变为Z-pins的剪切破坏和层间织物与基体脱离的双重破坏机制。     

炭纤维针刺预制体增强C/SiC复合材料的制备与性能研究

以炭纤维复合网胎针刺织物为预制体, 采用“化学气相渗透法+先驱体浸渍裂解法”(CVI+PIP)混合工艺, 制备了C/SiC陶瓷复合材料; 研究了针刺预制体的致密化效率以及复合材料的微观结构和力学性能, 并与目前常用的三维编织C/SiC复合材料和预氧丝针刺织物增强C/SiC复合材料进行了对比. 结果表明, 针刺预制体的致密化效率明显高于三维编织预制体, 在相同致密工艺条件下, 炭纤维针刺织物增强复合材料和预氧丝针刺织物增强复合材料的密度分 别达到2.08和2.02g/cm³, 而三维编织预制体增强复合材料的密度仅为1.81g/cm³. 炭纤维针刺复合材料的力学性能高于预氧丝针刺复合材料, 弯曲强度和剪切强度分别达到237和26MPa.     

Z-pin植入对二维机织复合材料层合板力学性能影响的数值模拟

针对植入Z-pin后的碳纤维增强平纹机织复合材料的微观结构,建立了含Z-pin机织复合材料单层板和层合板的单胞模型。预测了Z-pin直径、分布间隔对单层板的面内纵向拉伸力学性能的影响,发现含有Z-pin的机织复合材料单胞在受面内拉伸时,会在Z-pin附近出现应力集中,单胞首先会在应力集中区域发生失效而导致强度降低。通过三维单胞模型模拟了Z-pin在层合板中拉出脱离的过程,得出了不同Z-pin直径、不同分离层厚度下的拉拔力-位移曲线。建立了用非线性弹簧模拟Z-pin的双悬臂梁（DCB）模型,结合虚拟裂纹闭合技术（VCCT）,模拟了含有Z-pin复合材料层合板的Ⅰ型裂纹扩展,结果表明：Z-pin直径越大,分布越密,层合板的等效Ⅰ型应变能释放率 G_IC越大,且直径越大,G_IC 随裂纹扩展的波动幅度越大,分布越密,G_IC 波动的波长越小。     

聚合物先驱体溶液浸渍/裂解法制备3D C/SiC CMC的结构与性能

一、前言 连续纤维增强的SiC/SiC和C/SiC陶瓷基复合材料(CMC)由于具有高强、高模,低密度、良好的韧性,抗热震和良好的高温稳定性等一系列优点。目前国内外在高温结构材料方面正在竞相开发。除了一维和二维织物增强的CMC外,近年来由于三维编织技术的进步,3DCMC也开始得到研究。与1D,2D CMC相比,由于三维纤维交叉排列组成的整体网络结构,不仅可以显著改善其径向力学性能,提供复合材料的结构韧性机制,使其径向强度和韧性进一步提高,而且还可以仿形(nearnet shape)编织,从而使高温复合材料可直接成型为勿需机械加工的异形结构部件。目前制备3D CMC的方法主要有泥浆浸渍法和CVI法,泥浆浸渍法主要只用于玻璃基或玻璃陶瓷基,CVI法可用于制备各种氧化物和非氧化物陶瓷基,但设备复杂,工艺周期长。 聚合物先驱体转化法制备CMC由于具有工艺简单,成型温度低等优点,最近受到国内外重视但用此法制备3D CMC尚未见报道。 本文主要借鉴制备3D C/C复合材料的成功经验,探讨了采用聚合物先驱体溶液浸渍法制备3D C/SiC的方法,初步研究了3D C/SiC的结构与性能特点。     

SiC纤维增强复合材料基体裂纹偏移机理的有限元分析

运用基于能量的裂纹偏移准则, 分别建立了两相和三相复合材料基体裂纹偏移/ 穿透的轴对称有限元模型, 考察了纤维体积分数、描述材料特性弹性失配的Dundurs 参数α和相对裂纹扩展长度a_d / a_p 对相对能量释放率Gd / Gp 的影响。将两相复合材料的有限元结果与He 等人的结果进行对比, 进一步考察了三相复合材料界面层厚度和Dundurs 参数α₁ 和α₂ 对G_d / G_p 的影响。分别将碳涂层SiC 纤维增强复合材料SiC/ C/ Ti-6A1-4V 和碳涂层陶瓷基增强复合材料SiC/ C/ SiC 运用于有限元分析中, 结果表明, 所建立的模型能够准确地预测和比较基体裂纹偏移的机理。      

考虑孔隙和微裂纹缺陷的 C/ C2SiC编织复合材料等效模量计算

通过观察 C/ C2SiC复合材料组元分布的扫描电子显微镜(SEM)照片 , 获得了 C/ C2SiC复合材料化学气相渗透(CVI)制备过程中产生孔隙和微裂纹的几何信息。在此基础上 , 建立了包含孔隙和微裂纹的 C/ C2SiC微结构有限元模型 , 并利用均匀化等效计算方法预测了平纹编织 C/ C2 SiC复合材料的模量。针对 CVI沉积方式制备的 2组不同的 C/ C2SiC复合材料 , 实验测试与等效计算结果表明 : 基于 SEM照片建立的 C/ C2SiC纤维束和复合材料微结构有限元模型 , 能够反映 CVI工艺制备 C/ C2SiC中孔隙和微裂纹的分布状况; 计算结果与实验数据有良好的一致性 , 数值计算可有效预测 C/ C2SiC编织复合材料的模量。     

Z-pin增强复合材料Ⅰ型断裂韧性数值分析

采用细观力学方法以及虚拟裂纹闭合法(VCCT)对含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性进行了研究。利用有限元法建立了结构模型,采用实体单元模拟复合材料层压板结构和非线性弹簧元模拟Z-pin。通过计算应变能释放率对含有不同体积分数Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性与不含Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性进行了对比分析。研究表明,含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性在裂纹扩展过程中受到Z-pin桥联作用的影响而显著增强,且其增强效果与Z-pin的体积分数、处在桥联区的Z-pin数目均相关,这表明Z-pin增强方法能够有效提高复合材料层压板的分层扩展阻力。     

SiCp/Al梯度复合材料疲劳裂纹扩展和亚临界扩展行为

采用粉末冶金法制备了SiC颗粒增强铝基梯度复合材料，研究了其疲劳裂纹扩展行为及其亚临界裂纹扩展行为。疲劳裂纹从30％SiC层向5％SiC层扩展时，发生了裂纹扩展延滞；而在静载下，当裂纹从30％SiC层向5％SiC层扩展时，随着裂纹长度的增加其裂纹扩展阻力增大。     

由聚碳硅烷生成纳米SiC颗粒增强B4C基复相陶瓷的结构与性能

制备了由聚碳硅烷（PCS）为先驱体裂解形成的纳米SiC增强的B4C基复合材料，并与直接球磨混合法制备的纳米SiC增强的B4C基复合材料进行了对比研究。实验结果表明，先驱体法制备的复合材料形成一种复杂的晶内/晶间结构；B4C内部的纳米SiC和Al2O3内部的少量纳米SiC、晶界处的层片状SiC、B4C晶粒内部的SiC亚晶界结构。材料的断裂方式以穿晶断裂为主，形成晶内裂纹扩展路径，增强了材料的韧性，采用PCS为先驱体工艺制备高性能的纳米复相陶瓷，其组织均匀性、致密度和力学性能均优于直接机械混合制备的纳米复合材料。     

C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的振动响应特性及防松性能

通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的模态进行计算和试验分析,确定了其模态参数和振动响应特性;然后通过对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行正弦扫频振动试验,研究了拧紧力矩对螺栓连接件振动性能的影响规律;最后研究了液态聚硼硅氮烷（L-PBSZ）对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件防松性能的影响。研究结果表明：一阶和三阶固有计算模态频率与试验模态频率一致,因此可以采用有限元分析方法对C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件进行振动响应特性分析;采用正弦扫频振动频谱信号差值曲线分析方法可以检测螺栓连接件是否松动;SEM观察表明,L-PBSZ改性的C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的螺纹副间形成陶瓷填充体,使得螺纹与螺母间有效摩擦系数和有效摩擦面积增加,因此螺母松脱退出的力矩增大,提高了C/SiC陶瓷基复合材料螺栓连接件的防松可靠性能。     

Z-pin增强复合材料层合板断裂韧性试验研究

针对Z-pin增强复合材料层合板, 开展了断裂韧性的试验研究。研究选取了3种Z-pin直径(0.28、 0.52、 0.80mm)且每种直径下分别以3种分布形式(5×5、 8×8、 10×10)排布Z---pin的增强方式, 为了确定比较基准, 试验中同时测试了不含Z-pin的复合材料层合板试样。通过Z-pin拔出试验测试了3种直径Z-pin从基体拔出过程中的载荷位移关系。利用双悬臂梁试验和端部开口弯曲试验分别测试了不含Z-pin和含Z-pin试样的Ⅰ型断裂应变能释放率G_ⅠC、 Ⅱ型断裂应变能释放率G_ⅡC。试验结果表明:? 与不含Z-pin的结构相比, Z-pin增强试样的Ⅰ型断裂应变能释放率G_ⅠC增大了83%~1110%, Ⅱ型断裂应变能释放率G_ⅡC增大了23%~438%; 在相同Z-pin体积含量下, 与增大Z-pin直径相比, 增大Z-pin分布密度能更有效地提高复合材料层合板的断裂韧性。      

二维编织 C/ SiC复合材料的热膨胀系数预测

根据二维编织 C/ SiC复合材料的细观结构及其制备工艺特点 , 提出了一种预测该材料面内热膨胀系数的单胞模型。模型充分考虑了编织结构复合材料中的纤维束弯曲和 CVI工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热膨胀系数的影响。利用单胞模型预测了二维编织 C/ SiC的结构参数、 纤维体积含量、 孔洞含量对复合材料热膨胀系数的影响规律 , 结果表明 : 随着纤维束扭结处产生间隙与纱线宽度比值的增大 , 热膨胀系数增大 ; 当其它参数不变时 , 随着纤维体积含量的增大 , 热膨胀系数反而下降; 随着孔洞含量的增加 , 热膨胀系数也出现了下降的趋势。利用 DIL402C热膨胀仪测试了二维编织 C/ SiC复合材料纵向热膨胀系数 , 试验结果与模型预测结果吻合较好。     

SiC泡沫陶瓷/Fe基双连续相复合材料的制备和性能

将SiC泡沫陶瓷氧化,用挤压铸造法制备SiC泡沫陶瓷/Fe基双连续相复合材料并对其退火,研究了制备工艺和SiC泡沫陶瓷的体积分数对其微观组织和力学性能的影响。结果表明,在1250℃氧化48 h后在SiC泡沫陶瓷表面生成了厚度为1 mm的SiO2反应阻挡层。在双连续相复合材料的制备过程中,SiO2反应阻挡层抑制Fe与SiC的化学反应,避免了脆性化合物Fe3Si的生成,改善了基体与增强体的界面,使复合材料的抗弯强度提高2倍,压缩强度提高18%。当SiC泡沫陶瓷的氧化时间增至72 h时,SiC泡沫陶瓷表面SiO2的厚度过大。SiO2与基体和增强体热膨胀系数不匹配,使复合材料内相界面间的残余应力增加,导致其性能下降。将SiC泡沫陶瓷/Fe基双连续相复合材料在600℃退火4 h,可降低复合材料中的残余应力,提高复合材料的性能。SiC的体积分数较低时,金属基体的桥接、偏转裂纹的作用比较大,复合材料的弯曲强度高,变形程度大。随着复合材料中SiC体积分数的增大,SiC骨架筋增粗,其承载能力加强,复合材料的压缩强度呈提高的趋势。     

三维编织复合材料研究及应用现状

正三维编织复合材料是利用编织技术,把经向、纬向及法向的纤维束(或纱线)编织成一个整体,即为预成型结构件(简称"预制体"),然后以预制体作为增强材料进行树脂浸渍固化而形成的复合材料结构。由于增强纤维在三维空间多向分布,阻止或减缓了冲击载荷作用下复合材料层间裂纹的扩展,使得复合材料层间性能大大提升。因此,三维编织复合材料较普通层合复合材料具有更高的冲击损伤容限和断裂韧性。三维编织技术可按实际     

由聚碳硅烷生成纳米SiC颗粒增强B4C基复相陶瓷的结构与性能

制备了由聚碳硅烷（PCS）为先驱体裂解形成的纳米SiC增强的B₄C基复合材料,并与直接球磨混合法制备的纳米SiC增强的B₄C基复合材料进行了对比研究.实验结果表明,先驱体法制备的复合材料形成一种复杂的晶内/晶间结构;B₄C内部的纳米SiC和Al₂O₃内部的少量纳米SiC、晶界处的层片状SiC、B₄C晶粒内部的SiC亚晶界结构.材料的断裂方式以穿晶断裂为主,形成晶内裂纹扩展路径,增强了材料的韧性.采用PCS为先驱体工艺制备高性能的纳米复相陶瓷,其组织均匀性、致密度和力学性能均优于直接机械混合制备的纳米复合材料.     

平纹编织SiC/SiC复合材料多尺度建模及强度预测

连续SiC纤维增强SiC基体复合材料（SiC/SiC）具有优异的高温力学性能、辐照稳定性及较低的氚渗透率,在核工程结构领域具有良好的应用前景,掌握其承载状态下的损伤演化和强度性能,对SiC/SiC复合材料的应用具有重要指导意义。本文基于平纹编织SiC/SiC复合材料的制备过程和组分材料分布的多尺度特性,考虑复合材料微观结构的局部近似周期性,建立了纤维丝尺度和纤维束尺度单胞模型。使用有限元分析软件对纤维丝尺度模型的弹性性能和强度性能进行预测,将这些性能参数代入纤维束尺度模型,引入Tsai-Wu失效准则,根据材料的不同失效模式并对失效单元进行方向性刚度折减,模拟了平纹编织SiC/SiC复合材料在单轴拉伸载荷下的渐进损伤过程。数值模拟曲线与试验曲线吻合较好,实现了对平纹编织SiC/SiC复合材料强度的有效预测。      

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。     

连续纤维增强SiCf/SiC陶瓷复合材料的发展

连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料具有良好的高温力学性能、抗氧化性和化学稳定性，是航空航天和核能等领域新的高温结构材料研究的热点之一。回顾了增强体连续SiC纤维的发展，综述了SiCf／SiC材料的成型制备工艺、界面相对力学性能的影响和目前的应用研究，展望了连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料以后的研究重点及发展前景。