单向短纤维增强复合材料应力传递模型及其细观力学分析

建立了含单纤维和基体的双圆柱复合材料细观力学模型,采用基体剪应力的Lame形式推导了纤维轴向应力和纤维基体间界面剪应力计算方程。分析了纤维/基体模量比、纤维长径比和纤维体积分数等细观结构参数对纤维轴向应力和界面剪应力分布的影响,并对结果进行了验证。     

陶瓷基复合材料界面结合强影响断裂过程的有限元研究

提出了纤维增强复合材料断裂有限元模型,该模型既用弹簧单元考虑了基体与纤维之间的分离,又用接触单元考虑了基体与纤维之间的摩擦,较真实地模拟了纤维增强复合材料的断裂过程。通过有限元计算,预测了基体与纤维之间的界面结合强度对整个复合材料断裂模式的影响。还对强弱两种不同基体弹性模量的材料进行进一步的探讨。对比其他文献 , 本文中预测结果与真实情况较为吻合。结果表明,对于纤维增强复合材料,不论是强基体还是弱基体,适中的界面结合强度有助于提高其韧性及整体抗拉强度。       

导热高分子材料研究进展

讨论了提高聚合物导热性能的途径－合成高导热系数的结构聚合物，用高导热无机填料对聚合物进行填充复合。综述了导热高分子材料的研究成果：聚合物导热的基本概念和影响其导热性能的因素及导热系数的预测理论；聚合物基导热复合材料的选材、复合技术及其应用。指出了导热高分子材料的研究方向－－纳米导热填料的研究和开发；聚合物树脂基体的物理化学改性；聚合物基体与导热填料复合新技术的研究和开发；复合材料导热模型的建立、导热机理（特别是聚合物基体与导热填料界面的结构与性能对材料导热性能的影响）及导热通路的形成等；探索高导热本体聚合物材料的制备方法和途径等。对导热高分子材料的研究和开发有重要意义。     

纤维束分布对复合材料有效性能的影响

针对纤维束增强相在基体材料中的分布方式不同,建立了由固体基体和纤维束增强相两相介质组成的复合材料细观力学模型。假设该模型的细观结构呈周期性均匀分布,纤维束内的纤维接触是光滑的。采用二尺度展开法计算了复合材料的有效性能,得出了不同微结构分布的复合材料的刚度系数、横向弹性模量、泊松比和剪切模量随纤维束体分比的变化曲线,并将数值结果与实验数据进行了比较。研究表明,数值结果与实验数据有较好的吻合,增强相的分布直接影响到复合材料的力学性能。     

碳纤维随机填充橡胶复合材料导热性能的数值模拟

运用随机顺序添加算法RSA(Random sequential addition method),基于均匀化理论建立了碳纤维填充橡胶复合材料代表体积单元RVE(Representative volume element)模型,利用有限元方法数值模拟研究了碳纤维对橡胶复合材料导热性能的影响。结果表明:在相同的填充分数下,碳纤维根数对复合材料导热性能的影响较小;合理安排碳纤维空间分布及纤维取向能有效提高复合材料的导热性能;复合材料的导热性随着碳纤维填料含量及长径比的增加而增大;与理论模型相比,基于碳纤维填料随机分布模型所得模拟结果与实验值较接近,尤其在高填充分数时与实验值吻合较好,可以更好地预测纤维填料填充复合材料的导热性能,对制备具有高填充分数的高导热复合材料具有一定的指导意义。     

预测纤维增强气凝胶复合材料热导率的研究进展

SiO2气凝胶复合材料具有纳米尺度结构和极低热导率,作为隔热保温材料在航天航空、建筑和其他工业领域具有重要的科学和应用价值。根据纤维在气凝胶基体中的不同分布方式,概述了预测 SiO2气凝胶复合材料的气固耦合热导率的研究进展;基于纤维和气凝胶的消光系数的不同计算方法,概述了预测 SiO2气凝胶复合材料的辐射热导率的研究进展。并提出了纤维增强气凝胶复合材料体系存在的跨尺度、多物相、分级及相互耦合等仍需进一步解决的难题,结合最新发展的格子 Boltzmann 方法(LBM),指出了预测 SiO2气凝胶复合材料等效热导率的可能发展方向。     

二维平纹机织复合材料弹性性能预测的域分解方法

为了预测二维平纹机织复合材料的弹性性能, 提出了基于有限元重合网格法的域分解方法。域分解方法与传统代表体元法的有限元建模不同, 前者不再建立精细的纤维与基体模型, 而是分别建立二维平纹机织复合材料单胞的整体域与纤维域, 整体域是真实基体体积与纤维体积的叠加, 两区域网格独立剖分, 互不影响。采用MSC. Nastran中的多节点约束在纤维节点与基体节点之间建立位移协调来模拟纤维和基体单元的位移函数关系, 实现了纤维域和基体域的耦合计算。研究表明, 域分解方法大大简化了机织复合材料细观力学建模的复杂性, 降低了建模时间, 采用域分解方法预测的二维平纹机织复合材料弹性常数与试验值吻合较好, 充分说明了该预测模型与方法的正确性。研究了不同纤维体积分数下, 域分解方法预测二维平纹机织复合材料的弹性常数的变化趋势, 结果表明, 随纤维体积分数增加, 模量呈上升趋势, 泊松比呈降低趋势。     

纤维长径比对环氧复合材料动态力学性能的影响

本文研究不同纤维长径比对碳纤和玻纤环氧复合材料动态力学性能的影响.结果表明,随长径比的增大,材料的力学内耗下降而模量增加;在低长径比,碳纤复合材料的内耗值比玻纤复合材料的高.达到一定长径比后,内耗值和模量值趋于连续纤维复合材料的值.温度越高,基体模量下降,达到相同纤维刚度的使用效率所需要的长径比就越大.用材料在外载荷或热缩应力作用下,纤维及其界面上沿纤维方向上的应力大小和分布随长径比的变化规律解释上述现象.     

考虑界面层和孔隙的SiCf/SiCm复合材料热膨胀性能研究

以三维四向编织SiCf/SiCm复合材料为对象,建立基于周期性边界条件、包含界面层和孔隙的复合材料单胞有限元模型,模型细观结构与工业CT扫描结果一致。计算了材料各个方向的热膨胀系数,发现界面层对纤维束热膨胀系数的影响不可忽略,基体孔隙位置的随机分布对热膨胀系数计算结果没有影响,孔隙率的增加会引起系数的显著减小,对胞元的热应力分析表明纤维束上的热应力水平大于基体。通过自由膨胀加温试验对材料纵向热膨胀系数进行了测定,在室温至1100℃区间内热膨胀性能稳定,试验结果与预测值符合较好。可为含界面层和基体孔隙的三维编织复合材料及其他多孔复合材料热膨胀性能研究提供理论基础。     

聚合物复合材料摩擦学研究进展

综述了聚合物复合材料的摩擦学研究概况，分析了不同填充材料及其含量、纤维填充材料方向及环境等因素对聚合物复合材料摩擦学性能的影响，指出不同填充材料对提高基体耐磨性的影响不同，且其提高基体耐磨性的机理也不同。     

预制体结构对针刺石英纤维/环氧树脂复合材料导热性能的影响

为了探索预制体结构对针刺石英纤维/环氧树脂复合材料导热性能的影响,采用逐层针刺技术和树脂传递模塑工艺制作了针刺石英纤维/环氧树脂复合材料。利用瞬态热线法测量了环氧树脂和不同预制体结构的针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能。结果表明:随着纤维体积分数的提高,针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能得到了提升。其中,用石英纤维短切毡增强环氧树脂的导热性能比环氧树脂提高了35.9%。当针刺石英纤维/环氧树脂复合材料中的无纬布纤维平行于热线时,采用石英纤维短切毡与石英纤维无纬布共同增强的2种针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能分别比环氧树脂提高了45.5%和46.4%;而当无纬布纤维垂直于热线时,导热性能比环氧树脂分别提高了56.4%和61.8%。针刺石英纤维/环氧树脂复合材料的导热性能不仅受石英纤维体积分数影响,也受到预制体中无纬布纤维体积分数和取向的影响。      

Thermal and mechanical properties of waste grass broom fiber-reinforced polyester composites

The main focus of this study is to utilize waste grass broom natural fibers as reinforcement and polyester resin as matrix for making partially biodegradable green composites. Thermal conductivity, specific heat capacity and thermal diffusivity of composites were investigated as a function of fiber content and temperature. The waste grass broom fiber has a tensile strength of 297.58 MPa, modulus of 18.28 GPa, and an effective density of 864 kg/m³. The volume fraction of fibers in the composites was varied from 0.163 to 0.358. Thermal conductivity of unidirectional composites was investigated experimentally by a guarded heat flow meter method. The results show that the thermal conductivity of composite decreased with increase in fiber content and the quite opposite trend was observed with respect to temperature. Moreover, the experimental results of thermal conductivity at different volume fractions were compared with two theoretical models. The specific heat capacity of the composite as measured by differential scanning calorimeter showed similar trend as that of the thermal conductivity. The variation in thermal diffusivity with respect to volume fraction of fiber and temperature was not so significant.The tensile strength and tensile modulus of the composites showed a maximum improvement of 222% and 173%, respectively over pure matrix. The work of fracture of the composites with maximum volume fraction of fibers was found to be 296 Jm⁻¹.     

含纤维断裂复合材料热阻变化的细观建模

为探讨单向纤维增强复合材料中纤维损伤与材料热阻变化之间的关系,建立了由纤维断裂引起热阻变化的细观理论模型,并利用该模型对热阻变化率进行了定性分析。针对纵向传热与垂直传热两种情形下的热阻进行分析,结合Weibull纤维强度分布模型,引入纤维失效长度作为纤维链段的最小长度,获得了纤维断裂引起的复合材料纵向和沿厚度方向热阻变化率的解析函数。采用Monte-Carlo随机方法对外加应力作用下复合材料热阻随着纤维断裂而发生变化的过程进行模拟。研究结果表明:无论是纵向热阻还是厚度方向的热阻,热阻变化率均随纤维断点数目的增大而线性递增;纤维体积组分越大,热阻变化率越大。纵向热阻变化率随着纤维/基体导热系数比β的增大而迅速增大,但当β10时增大的幅度逐渐减弱;而厚度方向的热阻变化率则随着β的增大先急剧增大而后递减,当纤维与基体的导热系数相当时(在β=1附近)达到最大值。     

氧化铝体积分数对Al2O3f+Cf/ZL109混杂复合材料干滑动摩擦磨损行为的影响

利用挤压铸造法制备了Al₂O_3f+C_f/ZL109短纤维混杂金属基复合材料,并探讨了Al₂O₃纤维对该混杂复合材料干滑动摩擦磨损行为的影响。结果表明:混杂复合材料的摩擦系数以及从轻微磨损到急剧磨损转变的临界载荷均随着Al₂O₃体积分数的增加不断增大。在轻微磨损阶段,复合材料的主要磨损机制为犁沟磨损和层离,且Al₂O₃体积分数为12%时混杂复合材料的磨损率最低。发生严重磨损时,基体和复合材料的磨损机制均为严重的粘着磨损。     

碳纤维含量对短碳纤维－铜复合材料性能的影响

用粉末冶金法制造了碳纤维分布均匀的碳纤维一铜复合材料，测定了复合材料的力学性能和物理性能，表明在碳纤维与铜基体之间存在界面结合，碳纤维含量对复合材料性能影响极大。     

预报纤维增强复合材料有效热导率的随机微结构胞元模型

发展了能预报复合材料有效性质的随机微结构胞元模型以预测单向纤维增强复合材料横向热导率。研究了能反映宏观有效性质的模型最小化问题, 探讨了微结构影响宏观有效热传导性能的机制。结果表明: 通过对模型指定周期边界条件并且以多个合适的小规模模型计算的平均值取代大模型计算, 可大大改进收敛性并提高计算效率, 从10×10个到30×30个子胞的模型, 所得有效热导率计算结果的最大相对变化量仅为0.6%。不同纤维排列引起热流穿过热阻大的基体的路径长度改变, 造成有效热导率不同; 纤维热导率远大于基体热导率时, 纤维随机分布造成纤维偏聚, 部分纤维接触形成"热流通道", 使得有效热导率增大, 揭示了某一体积分数下有效热导率急剧增加是由"热流通道"贯通引起。与实验结果的比较说明了微结构随机性研究的必要性和本文工作的实用价值。     

温度对CF/ABS 复合材料导电性的影响

研究了温度对ＣＦ／ＡＢＳ树脂复合材料导电性的影响。所制复合材料的电阻率随温度的升高按指数规律上升,而且,随着复合材料中炭纤维含量的增加,电阻率随温度的变化率逐渐降低。     

碳纤维含量对短碳纤维-铜复合材料性能的影响

用粉末冶金法制造了碳纤维分布均匀的碳纤维一铜复合材料,测定了复合材料的力学性能和物理性能,表明在碳纤维与铜基体之间存在界面结合,碳纤维含量对复合材料性能影响极大。     

Micromechanics of piezoelectric composites with improved effective piezoelectric constant

This paper is concerned with the derivation of a micromechanics model of a new type of piezoelectric fiber reinforced composite (PFRC) materials. A continuum mechanics approach is employed to determine the effective properties of these composites. The piezoelectric fibers of these composites are considered to be electroded at the fiber–matrix interface such that the electric fields in the fiber and matrix become equal in the direction transverse to the fiber direction. The model has been verified with the existing models. The present model also predicts that the effective piezoelectric coefficient of these PFRC which accounts for the actuating capability in the fiber direction due to the applied field in the direction transverse to the fiber direction improves over the corresponding coefficient of the material of the piezoelectric fibers if the fiber volume fraction exceeds a critical fiber volume fraction.