整体毡碳/碳复合材料的高温剪切性能研究

运用双槽口剪切试验方法测试了碳纤维增强碳基复合材料(C/C)在室温、700℃、1000℃、1400℃下的剪切强度,并用扫描电子显微镜(SEM)观察了材料的原始组织形貌和断口微观形貌。结果表明:材料的剪切强度在一定范围内随温度的升高而增加,材料Z向的剪切强度优于XY向。通过SEM观察分析可知,材料XY向和Z向纤维的含量明显不同;室温下,C/C复合材料的破坏形式有纤维拔出及断裂,而高温下,失效形式主要为纤维的拔出、纤维/基体界面脱粘等。     

径棒法编织C/C复合材料高温拉伸性能研究

采用化学气相沉积、沥青浸渍-高压碳化混合致密工艺向径棒法编织的预制体内引入基体碳,实现高密度(≥1.94g/cm3)炭/炭复合材料制备。利用快速通电加热测试技术,模拟C/C复合材料的高温工作环境,研究不同温度下材料的环向拉伸性能。结果表明:在2 300℃时,材料拉伸强度最大(80.3 MPa),断裂应变随着温度的升高而增加。采用扫描电镜对试样及断口形貌进行观察,发现测试温度、机加损伤及试样过渡区应力集中影响材料断裂特征。温度为1 800℃、2 300℃时材料在过渡区断裂;温度为2 800℃时,材料在标距区发生破坏,纤维与基体界面结合强度低,纤维拔出多,表现出假塑性断裂特征。     

细编穿刺C/C复合材料不同层次界面剪切强度的测试分析

利用原位测试系统得到细编穿剌C/C复合材料纤维／基体及纤维束／基体两种不同层次界面的顶出实验数据,然后利用界面弹簧模型对纤维及纤维束的顶出实验过程进行有限元法计算机模拟,编制了分析程序,得到了不同层次界面的剪切强度值。     

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。     

三维针刺C/C复合材料面内压缩失效行为研究

通过研究三维针刺C/C复合材料面内压缩失效行为,发现应力-应变行为包括起始段的非线性滞弹性、线弹性、非线性损伤及应力下降失效4个阶段,循环加载-卸载实验表明线弹性阶段应力-应变行为的重复性好,而非线性损伤阶段则与加载历程有关。面内压缩失效主要是端部分层脱粘和分层劈裂,受纤维/基体界面结合强度影响较大。     

基于Weibull模型的C/C复合材料销钉剪切强度分布及本构关系

针对C/C复合材料销钉力学性能各向异性的特点,开展基于Weibull分布模型的C/C销钉剪切强度分布及本构关系研究,探讨不同剪切方向对C/C销钉剪切强度和剪切本构的影响规律。基于两参数Weibull分布模型,采用最小二乘法获得不同剪切方向上剪切强度的分布规律;根据C/C复合材料损伤失效机制,采用基于Weibull分布的弹性损伤模型表征材料的剪切本构关系,并通过试验数据获取损伤模型中的参数。结果表明:通过Kolmogorov-Smirnov拟合优度检验,两参数Weibull分布模型能较好地表征C/C销钉剪切强度的分布规律;沿45°方向剪切的C/C销钉,其剪切强度最高;随着剪切角度的增大销钉剪切刚度逐渐降低,从0°方向上的19.46 kN/mm下降到90°方向上的12.70 kN/mm。      

热残余应力对C/SiC复合材料界面剪切强度影响的有限元分析

根据C/SiC复合材料的属性,建立单纤维顶出的二维轴对称模型,采用有限元法对C/SiC复合材料的界面剪切强度进行数值研究,分析中考虑材料制备过程中的残余应力对界面剪切强度的影响,在细观力学层面上系统分析纤维顶出过程的界面剪应力及其相关影响因素。分析得出,残余应力会对界面造成损伤,降低界面脱粘载荷。材料的界面承受能力与热膨胀系数呈正相关,与固化温度呈负相关。     

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。     

针刺C/C-SiC复合材料剪切非线性本构关系

为研究针刺C/C-SiC复合材料的剪切损伤行为,首先,进行了面内剪切加卸载实验,并利用SEM对复合材料的剪切破坏形貌进行了观测;然后,建立了一种塑性与损伤相结合的非线性本构模型描述复合材料的非线性力学行为,以幂函数描述等效塑性应变与等效应力的关系;最后,基于剪切强度的Weibull分布规律提出了一种指数型损伤变量表征剪切刚度的退化,并通过实验数据拟合得到模型中的参数。结果表明:复合材料在卸载后存在明显的残余应变,卸载模量随载荷的增加不断降低,表现出明显的剪切非线性特征;大量无纬布纤维束和纤维单丝拔出,且易在针刺部位发生破坏;由于针刺部位等缺陷的不规律分布,剪切强度存在一定的分散性,符合指数型Weibull统计分布规律;复合材料的剪切非线性主要由基体开裂和纤维/基体界面脱粘等内部损伤引起,从宏观上可以解释为塑性变形和刚度性能折减。所得结论表明本构模型能够很好地表征C/C-SiC复合材料的面内剪切非线性行为。      

中间层厚度对LAS玻璃陶瓷与C/C复合材料连接强度的影响

采用不同厚度的MgO-Al2O3-SiO2(MAS)玻璃作为中间层,对表面改性炭/炭(C/C)复合材料与Li2CO3-Al2O3-SiO2(LAS)玻璃陶瓷进行热压连接,重点研究了中间层厚度对接头强度的影响,并利用扫描电子显微镜(SEM)对连接界面及剪切断口的微观组织和形貌进行了分析.结果表明:没有添加中间层时,接头强度仅为10MPa;采用MAS玻璃作为中间层时,接头室温剪切强度随着中间层厚度的增加先增大后减小,当中间层厚度为80μm时,获得的接头剪切强度最大,为26.61MPa.     

光滑与含孔复合材料压-压疲劳实验研究

本文新设计了光滑与含孔两种复合材料试样的抗失稳装置, 简述了这两种试样的压-压疲劳实验概况, 分析和讨论了其疲劳破坏机理, 提出复合材料疲劳损伤的“转捩点”概念。     

炭布铺层2D炭/炭复合材料研究

采用预浸炭布铺层制作炭／酚醛树脂基层合板,后经炭化、致密制备了二维炭／炭复合材料（２Ｄ－Ｃ／Ｃ）,检测了其工艺过程中的尺寸变化,测试了力学、导热、热膨胀、高等离子烧蚀性能。结果表明,２Ｄ－Ｃ／Ｃ在工艺过程中Ｚ向有明显的收缩现象,炭化收缩率达６．９９％,石墨化收缩率达５．５５％。２Ｄ－Ｃ／Ｃ的层间剪切强度（ＩＬＳＳ）大于１２．６ＭＰａ,拉伸强度大于１３３．７ＭＰａ,位伸模量大于５８．６ＧＰａ,压缩强     

复合受剪钢纤维再生混凝土破坏机理及强度计算

为研究钢纤维再生混凝土在复合受剪状态下的力学性能,以取代率、法向应力和钢纤维掺量为变化参数,设计了102个标准立方体试件进行复合受剪试验。观察了钢纤维再生混凝土在直剪、压剪作用下的破坏形态,获取了其在直剪、压剪作用下的全过程剪切应力-位移曲线,深入分析了取代率、法向应力和钢纤维掺量对钢纤维再生混凝土剪切强度、峰值位移的影响规律。结果表明：随着法向应力的增大,剪切强度逐渐增大;随着取代率的增加,掺量为0%的钢纤维再生混凝土剪切强度随之减小,掺量为1%的钢纤维再生混凝土剪切强度先增大后减小;与掺量为0%的钢纤维再生混凝土相比,掺量为1%的钢纤维再生混凝土平均剪切强度提高了10.77%;提出了剪切强度公式,所得计算值与试验值吻合良好。     

碳/碳蜂窝制备工艺及压缩与剪切行为

为了满足高分辨率航天器承载平台对尺寸稳定性、轻量化和高承载空间结构的多重需求,采用热压成型和树脂浸渍-碳化组合工艺制备了4种不同规格的碳/碳(C/C)蜂窝。以碳纤维预浸料为原料,通过热压工艺成型波纹片,用无机胶粘剂粘合片材形成蜂窝,经过浸渍-碳化工艺成型C/C蜂窝。对不同规格C/C蜂窝在不同加载方式下的力学行为进行了研究。结果表明,采用所提出组合工艺制备的C/C蜂窝未发生节点脱粘。边长5 mm蜂窝的压缩强度为8.2 MPa。在面外压缩、L向与W向剪切载荷下,C/C蜂窝的主要失效模式是双层壁脱粘分层。C/C蜂窝结构具有较高的抗压强度和良好可设计性,可能满足未来轻质高强航天器承载平台结构要求。     

Fracture mechanisms during fiber pull-out for carbon-fiber-reinforced thermosetting composites

We have investigated the mechanism of fiber/resin debonding in three untreated and three corresponding plasma-treated carbon-fiber-reinforced thermosetting micro-composites by examining the fiber/resin fracture surfaces with the aid of wetting force scanning. The wettability of a debonded microdroplet resin site (50–150 μm long) on a fiber was compared with that of the original fiber surface by scanning with ethylene glycol. Wetting force scans show that, for most fiber/resin combinations, the original location of the interface had a distinctly different wetting force as compared with adjacent non-bonded fiber surfaces. This suggested either the removal of a layer of carbon fiber along with the resin or a sub-microscopic cohesive failure in the resin leaving a thin residual layer of the resin on the fiber. For only a few specimens, no change in wetting force at the resin site was observed, suggesting adhesive failure of the interface. The different failure mechanisms proposed for various fiber/resin systems are explained on the basis of the morphological structures of the carbon fibers, cohesive shear strengths of the resins and the measured bond strengths.     

珊瑚海水海砂混凝土压-剪复合力学性能

为研究珊瑚海水海砂混凝土(CSSC)在压剪复合作用下的力学性能,以压应力比为变化参数设计并制作21个珊瑚海水海砂混凝土试件进行压剪试验,观察了试件在压-剪复合作用下的破坏形态,深入分析了压应力比对CSSC剪切强度的影响,并提出了剪切强度计算公式和破坏准则。研究结果表明：随着压应力比k的增大,CSSC剪切强度近似呈幂函数状增大,试件脆性破坏特征逐渐减弱。当k以0.1为增量从0增加到0.5时,剪切强度分别提升了1.53、2.81、3.60、4.32、4.67倍。珊瑚海水海砂混凝土剪切强度主要由黏聚强度、骨料咬合强度和界面摩擦强度组成,其分别占剪切强度的10%~22%、19%~30%和50%~69%;随着压应力比的增大,黏聚强度先增加后减小,骨料咬合强度总体呈上升趋势,界面摩擦强度近似呈线性增加。根据试验数据提出CSSC剪切强度计算公式,计算值与试验值吻合较好;使用不同的破坏准则对试验数据进行分析,发现基于主应力空间的破坏准则与试验结果吻合最好。     

Shear Characterisation of Woven Carbon/Epoxy Composite Under Various Adverse Environments

Abstract: In this article, an investigation into the shear properties of bi‐directional carbon fibre reinforced composite has been carried out by ‘rail‐shear’ test method (D4255). The specimens were tested under various adverse environmental conditions after subjecting them to different durations of exposure. A comparison between time‐dependent degradation of the shear properties of the material with respect to virgin shear properties is made, and the results have been analysed with emphasis on material weight gain or loss under those adverse environments.     

石墨烯/碳纳米管复合电热膜制备过程工艺优化及预测模型

目的 本文利用响应面法和神经网络遗传算法对石墨烯/碳纳米管复合电热膜的固化工艺进行优化,并对2种方法的优化结果进行比较,为复合电热膜制备提供了最佳的工艺参数。方法 通过单因素实验探讨浆料定量、固化温度和固化时间对复合电热膜体积电阻率的影响,在此基础上进行BB试验设计,在BB试验结果上进行响应面法（RSM）和BP神经网络分析及优化。结果 单因素实验结果表示随电热膜定量增加,体积电阻率先下降后上升,随着固化温度的升高或固化时间增加,体积电阻率逐渐下降直至趋于稳定。对BB响应面法和GA-BP遗传神经网络法优化获得的最佳工艺进行实验验证,GA-BP遗传神经网络模型优化的结果相对误差较小为1.06%,因此得出最佳固化工艺参数：定量为0.056 g/cm2、固化温度为85.71℃、固化时间为11.13 h。该研究结果对石墨烯碳纳米管复合电热膜的制备工艺具有参考价值。结论 通过响应面方差分析表明,定量、固化温度和固化时间三因素对体积电阻率既有显著的线性影响,也有极其显著的平方影响。BP神经网络预测模型的准确性很好,可用于石墨烯/碳纳米管复合电热膜体积电阻率的预测。     

顶出法对细编穿刺碳/碳复合材料界面强度的研究

研制了一套表征碳／碳（Ｃ／Ｃ） 复合材料界面力学性能的单丝顶出测试系统, 实现了对碳纤维的单丝顶出测试。利用该仪器测定了不同工艺条件下制备的几组Ｃ／Ｃ复合材料样品的界面粘接性能, 研究了界面剪切强度和复合材料拉伸强度之间的关系