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。     

针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。      

2.5维C/SiC复合材料经向拉伸性能

将微观尺度的强度预测模型与单胞尺度有限元模型相结合, 建立了2.5维C/SiC复合材料的双尺度强度预测模型。该模型首先计算微观尺度的应力-应变曲线以及最终失效时的力学性能, 然后将其带入单胞模型, 对不同边界条件下单胞模型的弹性模量进行折减, 统计单胞模型的平均应力与应变, 最后得到单胞尺度的应力-应变关系和最终失效时的力学性能。通过2.5维C/SiC复合材料常温和高温条件下的经向单轴拉伸试验, 得到了2.5维C/SiC复合材料经向拉伸过程的应力-应变曲线以及最终失效时的力学性能。结果表明, 理论分析结果与实验值基本一致, 验证了该方法的有效性。     

无应力氧化下C/SiC复合材料弹性性能模拟及验证

结合复合材料氧化质量损失率模型和混合率公式, 发展了单向C/SiC复合材料在无应力氧化下的弹性模量预测方法。对400~700 ℃和700~900 ℃两种氧化机制下C/SiC复合材料的弹性模量进行了预测, 分析了氧化温度、氧化时间和纤维体积含量对C/SiC复合材料弹性模量的影响。开展了单向C/SiC复合材料在650 ℃和800 ℃空气环境下的无应力氧化试验, 建立了复合材料质量损失率与氧化时间的变化关系, 得到了氧化后材料拉伸应力-应变曲线。同时, 将理论预测值与试验结果进行对比, 发现理论值与试验值基本吻合, 从而验证了该方法能够有效地预测无应力氧化下陶瓷基复合材料的弹性性能。     

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。     

单向碳/碳复合材料拉-拉疲劳寿命及剩余强度预测模型

基于预测单向复合材料纵向拉伸强度的随机核模型,引入纤维单丝剩余强度二参数Weibull模型及纤维单丝与基体界面剩余强度模型,研究建立了单向复合材料纵向拉-拉疲劳寿命及剩余强度的预测模型。对经过一定次数拉-拉疲劳载荷循环后的纤维束抽取其纤维单丝进行剩余强度拉伸试验,建立了纤维单丝剩余强度的二参数Weibull模型,测试单向碳/碳（C/C）复合材料的纤维与基体界面强度。通过单向C/C复合材料算例分析表明,92.5%、90.6%和87.5%应力水平下对数预测寿命与对数试验寿命比值分别为0.79、1.00和1.11,表明所建立的寿命预测模型用于预测单向C/C复合材料疲劳寿命是可行的;纵向拉伸剩余强度预测值与试验值误差在10%以内,吻合较好,表明所提出的剩余强度预测模型具有较高的精度。     

2D-C/SiC复合材料的主泊松比演化行为

泊松比是材料及其结构力学性能分析的重要参数之一。本文旨在研究2D-C/SiC复合材料主泊松比的非线性演化行为。首先，基于Mini复合材料模型与正交层压板模型，考虑纤维的横观各向同性性质，建立了2D-C/SiC复合材料的热残余应力计算模型；其次，应用剪滞理论与经典层压板理论，考虑材料的损伤与热残余应力释放机制，建立了2D-C/SiC复合材料的主泊松比计算模型；最后，通过试验表征了材料的应变响应及泊松比演化规律，并对理论模型进行了分析验证。结果表明，2D-C/SiC复合材料内部热残余应力较大，拉伸损伤过程中的热残余应力释放是负泊松比产生的原因；应力-应变曲线及泊松比演化曲线的模型预测结果均与试验曲线吻合较好，表明了理论分析模型的准确性与合理性。     

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。      

2D-SiC/SiC复合材料损伤耦合力学行为

基于轴向和45°偏轴加载实验,分别获得2D-SiC/SiC复合材料在单一轴向应力和复合应力状态下纤维束轴向方向上的拉伸、压缩和面内剪切应力-应变行为,计算分析材料在复合应力状态下的损伤耦合力学行为。结果表明,在45°偏轴拉伸和压缩复合应力状态下材料损伤耦合力学行为的起始应力分别约为40MPa和-100MPa。复合应力状态下材料纤维束轴向方向上的拉伸损伤和面内剪切损伤进程间具有相互促进作用,面内剪切损伤对压缩损伤进程具有促进作用,但是压缩应力分量对面内剪切损伤进程具有明显的抑制作用;上述损伤耦合作用随着应力水平的增加而越发显著。由试件断口电镜扫描结果可知,复合应力状态下材料纤维束轴向方向上3个应力分量对材料内部0°/90°和45°3种取向基体裂纹开裂损伤进程的影响作用,是2D-SiC/SiC复合材料产生损伤耦合力学行为的主要细观损伤机制。     

2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型

基于连续损伤力学建立了一种包含拉伸与剪切损伤变量的2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型。分别开展了拉伸和剪切试验,获得应力-应变曲线,并通过拟合试验曲线获得各损伤变量的演化参数。采用子程序技术将本构模型嵌入商用有限元软件ANSYS,应用有限元法计算了材料的应力-应变曲线。考虑了拉剪损伤耦合效应,计算了偏轴拉伸情况下的应力-应变曲线。结果表明:沿经纱拉伸、沿纬纱拉伸以及面内剪切的应力-应变曲线与试验结果吻合,最大偏差依次为4.30%、3.09%及3.73%;偏轴拉伸计算与试验应力-应变曲线也吻合较好。      

2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。     

加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料疲劳剩余强度的影响

为研究陶瓷基复合材料的低周疲劳失效机理,通过试验和细观分析对其疲劳特性进行了探讨。研究了室温下加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料拉-拉疲劳剩余强度的影响,并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对该材料的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明:2D针刺C/SiC复合材料具有较好的抗疲劳特性,在85%极限拉伸强度(UTS)载荷下的循环数超过106;随着加载循环数的增加,剩余强度先增大然后下降。断口分析表明:纤维拔出长度随着加载循环数的增加而增加,说明在疲劳加载过程中,纤维/基体的界面结合强度降低,减缓了材料内部受力的不均匀性,提高了材料的承载能力,使2D针刺C/SiC复合材料出现了疲劳强化现象。      

含材料非线性的热塑性聚乙烯自增强复合材料逐渐损伤分析

以分段线弹性方法考虑了单向复合材料纵向、横向与剪切的非线性特性,建立了静拉伸热塑性PE/PE层合板逐渐损伤模型,利用有限元技术模拟研究了UHMWPE/LDPE层合板逐渐损伤的过程及机理.研究表明,纵向非线性对层合板的拉伸力学行为非线性有显著影响;各向非线性的分段线弹性处理可简便有效地分析复合材料及其结构的非线性问题,结合逐渐损伤分析可清楚揭示基体开裂、纤一基剪切和纤维断裂等损伤模式及其进程.算例分析的理想结果验证了模型的有效性.     

Modeling Loading/Unloading Hysteresis Behavior of Unidirectional C/SiC Ceramic Matrix Composites

The loading/unloading tensile behavior of unidirectional C/SiC ceramic matrix composites at room temperature has been investigated. The loading/unloading stress–strain curve exhibits obvious hysteresis behavior. An approach to model the hysteresis loops of ceramic matrix composites including the effect of fiber failure during tensile loading has been developed. By adopting a shear-lag model which includes the matrix shear deformation in the bonded region and friction in the debonded region, the matrix cracking space and interface debonded length are obtained by matrix statistical cracking model and fracture mechanics interface debonded criterion. The two-parameter Weibull model is used to describe the fiber strength distribution. The stress carried by the intact and fracture fibers on the matrix crack plane during unloading and subsequent reloading is determined by the Global Load Sharing criterion. Based on the damage mechanisms of fiber sliding relative to matrix during unloading and subsequent reloading, the unloading interface reverse slip length and reloading interface new slip length are obtained by the fracture mechanics approach. The hysteresis loops of unidirectional C/SiC ceramic matrix composites corresponding to different stress have been predicted.     

Mechanical behavior of SiC fiber reinforced brittle-matrix composites

The failure process of unidirectional BN-coated HI-NICALON^TM SiC fiber reinforced glass matrix composites was examined under tensile loading. In situ observation of the mean matrix crack interval was conducted by the replica observation during tensile testing. Axisymmetric cylindrical models extended to the system considering the strength distribution of fibers were proposed to predict the whole stress-strain curve for comparison with the experimental results.     

碳/碳复合材料疲劳损伤失效试验研究

对单向碳/碳复合材料纵向拉-拉疲劳特性及面内剪切拉-拉疲劳特性进行了试验研究; 对三维四向编织碳/碳复合材料的纵向拉-拉疲劳特性及纤维束-基体界面剩余强度进行了试验研究。使用最小二乘法拟合得到了单向碳/碳复合材料纵向及面内剪切拉-拉疲劳加载下的剩余刚度退化模型及剩余强度退化模型, 建立了纤维束-基体界面剩余强度模型。结果显示: 单向碳/碳复合材料在87.5%应力水平的疲劳载荷下刚度退化最大只有8.8%左右, 在70.0%应力水平的疲劳载荷下, 面内剪切刚度退化最大可达30%左右; 三维四向编织碳/碳复合材料疲劳加载后强度及刚度均得到了提高; 随着疲劳循环加载数的增加, 三维四向编织碳/碳复合材料中纤维束-基体界面强度逐渐减弱。      

The effect on the tensile properties of PIP-processed SiC/SiC composite of a chemical vapor-infiltrated SiC layer overlaid on the pyrocarbon interface layer

A chemical vapor-infiltrated (CVI) SiC layer is often deposited on the pyrocarbon (PyC) fiber–matrix interface layer in SiC fiber-reinforced SiC matrix (SiC/SiC) composites. It is normally applied to protect the PyC layer from reacting with molten Si or sintering aids during manufacturing, and to guard against the effects of high temperature, oxidation and moisture during use. In this study, we investigated the effect of this SiC layer on the tensile properties of a composite. Tensile tests of our composite samples showed the SiC layer to have no noticeable effects on its ultimate load or fracture strain, whereas it decreased the load-to-strain ratio and proportional limit. The test results were analyzed by carrying out element tests on filaments and fiber bundle samples, fracture mirror analysis of pullout fibers, and finite element analysis (FEA) of residual thermal stress around the interface.     

基于纤维束/环氧树脂复合材料试验的单向层合板横向拉伸强度预测方法

实验研究表明,纤维束/环氧树脂复合材料试件的横向拉伸强度与工程上常用的单向层合板横向拉伸强度在趋势上具有很好的相关性,但是数值上存在一定差距。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了三种纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板,并分别测量了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度,以及环氧基体的拉伸强度。在实验基础上,应用Griffith断裂强度理论建立了纤维束/环氧树脂复合材料和单向层合板的横向拉伸强度的关系模型,通过两种复合材料实验的结果拟合了该模型中的参数。利用第三种复合材料实验进行校验,发现该模型预测的单向层合板横向拉伸强度与实测强度之间达到很好的一致性,相对偏差为9%。采用本文提出的方法,可以用较为简单的纤维束/环氧树脂复合材料和环氧基体拉伸试验预测单向层合板的横向拉伸强度。