基体特性对δ-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δ-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.     

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。     

纤维与基体界面剪切强度研究

采用微脱粘法,在改装的光学显微镜下测得复合材料单根纤维与基体界面发生微脱粘时的微脱粘力。在建立单根纤维—基体—复合材料的层套细观力学模型基础上,依据复合材料最大应力失效判据,使用自行设计的专门有限元分析程序,对已发生微脱粘界面进行分析,从而得到单根纤维与基体界面剪切强度。      

三维编织复合材料力学行为研究进展

随着三维编织复合材料力学行为研究工作的开展,这种材料在很多领域得到越来越广泛的应用。本文从细观结构几何模型、力学行为的理论研究、实验研究三个方面综述了三维编织复合材料力学行为的研究现状,并提出了当前工作存在的问题,对今后研究的趋势进行了展望。     

界面脱粘对正交铺设SiC/CAS复合材料基体开裂的影响

采用细观力学方法研究了正交铺设SiC/CAS复合材料在单轴拉伸载荷作用下界面脱粘对基体开裂的影响。采用断裂力学界面脱粘准则确定了0°铺层纤维/基体界面脱粘长度, 结合能量平衡法得到了主裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式3)和次裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式5)的临界开裂应力, 讨论了纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能对基体开裂应力的影响。结果表明, 模式3和模式5的基体开裂应力随纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能的增加而增加。将这一结果与Chiang考虑界面脱粘对单向纤维增强陶瓷基复合材料初始基体开裂影响的试验研究结果进行对比表明, 该变化趋势与单向SiC增强玻璃陶瓷基复合材料的试验研究结果一致。     

细观结构参量对共混物基体屈服影响的数值模拟

进行了分散相颗粒形状较规则的单相连续两相共混物细观结构参量对共混物基体屈服的产生和屈服区扩展规律影响的研究。通过模拟获得了共混体系橡胶粒子分布形式、添加比例、粒子尺寸、两相间界面层性能、粒子形状等细观结构参量的改变对共混物基体屈服的影响规律。     

形状记忆纤维热粘弹性基体复合材料的力学行为

应用热粘弹性理论和Voigt混合律,在变温场中针对马氏体逆相变过程建立了NiTi形状记忆纤维热粘弹性基体复合材料的应力-应变关系,在逆相变过程和基体呈现热粘弹态阶段,由于基体松弛其模量减小,在跃阶拉应力的作用下,复合材料的压缩应变迅速增大,纤维回复应力先增大后减小;在跃阶拉应变的作用下,复合材料的应力增加先变缓然后加快直至稳定,较高的温度和材料参数对NiTi纤维热粘弹性基体复合材料的力学行为和纤维的作动性能有明显的影响.     

界面对短纤维增强金属基复合材料力学行为的影响

界面是复合材料中一个非常重要的因素, 本文将在实验分析的基础上建立合理的理论分析模型, 借助于轴对称和三维有限元分析方法, 对界面性能的变化对短纤维增强金属基复合材料力学行为的影响作较为系统和深入的研究, 其中包括界面性能对应力传递机制、弹性模量、应力-应变曲线以及断裂机理的影响。研究表明, 界面性能的好坏显著影响基体与纤维间的应力传递, 从而对复合材料的弹性模量、应力-应变行为和断裂机理产生较大的影响, 界面控制是复合材料设计中不可忽视的重要环节。      

纤维增强高分子聚合物基复合材料有效性能的三维数值分析

将细观力学和计算力学方法相结合用以确定复合材料中的局部和平均应力-应变场.对旋转体和非旋转体纤维增强复合材料的有效模量进行了三维有限元数值计算.分析了纤维的排列分布和纤维的几何形状对有效模量的影响.数值结果表明,轴向杨氏模量对细观结构不敏感,而纤维的形状排列方式对横观有效性能影响是显着的.      

SMA增强复合材料力学特性的细观力学模型

基于细观力学的理论 , 将 SMA增强复合材料视为三相等效系统进行分析 , 即基体相、 奥氏体相和马氏体相 ; 求解了 SMA增强复合材料的有效热膨胀系数和有效相变应变系数的一般表达式 , 该表达式适用于各种形状的纤维增强复合材料。在整个相变和逆相变过程中 , 奥氏体相和马氏体相都表现为弹性特性 , 避免了传统方法的强非线性问题。该模型计算过程简单 , 同时还考虑了奥氏体、 马氏体和基体间的相互作用 , 理论分析更接近实际。并分析了纤维的含量、 形状和尺寸等因素对宏观模量的影响 , 通过比较可知 , 所得结果可靠 , 为 SMA增强复合材料的设计和使用提供理论依据。      

体积收缩率对光固化树脂基复合材料收缩应力的数值模拟

依据SiC晶须增强树脂基复合材料的光固化实验结果，运用材料的温度应力原理，利用降温等效体积应变与光固化体积收缩率关系的假设，建立了有限元模型。研究并分析了树脂基体中组分配比、光固化层厚和晶须增强体对成型件收缩应力的影响。结果表明：树脂基体中组分配比和晶须增强体对收缩应力的影响很大，而光固化层厚对收缩应力的影响较小。     

三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩性质的温度效应

采用实验和有限元方法,研究了三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料在低温场（20、0、-50、-100℃）中横向压缩性质温度效应。研究结果表明：温度对碳纤维/环氧树脂横向压缩模量、屈服应力及切向模量均有不同程度影响。三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩后,试样表面形貌受温度影响显著。低温场中,表面鳞纹现象减弱,且纱线-树脂间界面出现开裂。温度降低导致碳纤维/环氧树脂内部产生热应力。热应力对碳纤维/环氧树脂力学性能影响有限,不是温度效应的主导因素。基体性质随温度变化是三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料横向压缩性质温度效应的主要机制。     

MWCNTs对环氧树脂及多尺度MWCNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

通过对胺基化多壁碳纳米管（MWCNTs-NH₂）进行改性,得到改性MWCNTs悬浮液（MWCNTs-NH₂（M））。分别将羧基化MWCNTs （MWCNTs-COOH）和MWCNTs-NH₂（M）分散在环氧树脂（EP）中,采用热熔法制备了多尺度MWCNTs-碳纤维（CF）/EP复合材料。研究了MWCNTs对EP模量、韧性及EP与CF之间界面黏结强度的影响,并分析了MWCNTs与CF上浆剂的作用,评价了多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料的力学性能。结果表明：官能团化的MWCNTs可对EP的模量和韧性起到更好的增强作用。MWCNTs接枝的-COOH或-NH₂可与CF上浆剂中的环氧基团发生化学反应,提高EP与CF之间的界面剪切强度。MWCNTs-NH₂（M）对多尺度MWCNTs-CF/EP复合材料力学性能的增强效果优于MWCNTs-COOH,当MWCNTs-NH₂（M）的含量为1wt%时,多尺度复合材料的0°压缩强度、90°压缩强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击后压缩强度（CAI）分别提高了16.7%、16.3%、40.9%、30.3%、20.6%。     

碳纤维网络增强环氧树脂基复合材料的制备与表征

为提高碳纤维/环氧树脂复合材料的刚性和热尺寸稳定性,首先利用短切碳纤维制备了碳纤维网络增强体(CFNR),并将其与环氧树脂复合制备了CFNR/环氧树脂新型复合材料。然后,分别利用扫描电镜和热机械分析仪对CFNR/环氧树脂复合材料的微观结构和热力学性能进行了表征。结果表明:CFNR/环氧树脂复合材料中有明显的网络节点,即碳质粘结点;CFNR/环氧树脂复合材料具有较好的导电性、较高的刚性和较低的热膨胀性,其弹性模量分别为常规短切碳纤维/环氧树脂复合材料及纯环氧树脂的3倍和6倍,平均热膨胀系数(60~200℃)分别为常规短切碳纤维/环氧树脂复合材料的1/15及纯环氧树脂的1/40;随着温度升高,CFNR/环氧树脂复合材料、常规短切碳纤维/环氧树脂复合材料及纯环氧树脂的弹性模量均因环氧树脂变软而降低,当温度高于80℃时,CFNR/环氧树脂复合材料的弹性模量分别约为常规短切碳纤维/环氧树脂复合材料的7倍和纯环氧树脂的近70倍。研究结论可以为开发高刚性、低膨胀聚合物基复合材料提供实验依据和理论指导。     

Numerical Analysis of Stress Concentration for Brittle Matrix Composites

A FEM numerical model is constructed of SiCf/LASIII glass-ceramic uni-direction plate under tension loading. The smeared crack method is used to deal with the failure point of fiber and matrix elements. The solution of the model gives the distribution of meso-stress of SiCf/LASIII glass-ceramic uni-direction plate. The stress concentration factor K and the size of stress concentration effect zone are also analyzed. The average saturation cracking space is obtained by a numerical method. The mesh length of the elements is also studied.     

拉压异性纤维增强树脂基复合材料弹塑性问题的有限元分析

为了对复杂的非线性问题进行便捷求解,首先提出了考虑拉压异性的纤维增强树脂基复合材料统一非线性本构模型;然后,在此基础上进一步导出了本构模型的三维表现形式,以适用于非线性有限元分析工具的开发;随后,利用有限元软件ABAQUS提供的用户自定义子程序UMAT,自编了在二维和三维情况下的弹塑性应力分析程序;最后,应用程序对复合材料单向板和复合材料斜交板在偏轴拉伸/压缩下应力-应变曲线的预测与测试结果进行了比较,探讨了复合材料悬臂梁的弹塑性问题,并分析和比较了有无考虑拉压异性情况下应力分布和挠度响应的差异。结果表明:运用所提出的本构模型对考虑拉压不对称问题的弹塑性变形分析十分有效,这一本构模型有望成为实用数值分析工具,进而指导工程实践。     

Effect of moisture absorption on the mechanical behavior of carbon fiber/epoxy matrix composites

A carbon fiber/epoxy unidirectional laminated composite was exposed to a humid environment and the effect of moisture absorption on the mechanical properties and failure modes was investigated. The composites were exposed to three humidity conditions, namely, 25, 55, and 95 % at a constant temperature of 25 °C. The carbon fiber–epoxy laminated composites for two different carbon fiber surface treatments were used. The results showed that the mechanical properties differ considerably for each fiber surface treatment. The application of a coupling agent enhanced the fiber-matrix adhesion and reduced dependence of the properties on humidity. The damage mechanism observed at micromechanical level was correlated to acoustic emission signals from both laminated composites. The untreated carbon fiber failure mode was attributed to fiber-matrix interfacial failure and for the silane-treated carbon fiber reinforced epoxy laminate attributed to matrix yielding followed by fiber failure with no signs of fiber-matrix interface failure for moisture contents up to 1.89 %.     

玄武岩纤维-碳纤维混杂平纹织物增强环氧树脂基复合材料的制备与力学性能

对以平纹织物为增强体的混杂纤维复合材料（HFRP）的刚度和强度进行研究。设计热压工艺并制备7组具有不同混杂比的玄武岩纤维-碳纤维（玄-碳）混杂增强环氧树脂基复合材料试样进行拉伸试验。基于平纹织物的结构特征,对传统混合定律加以修正,提出以平纹织物为增强体的HFRP刚度估算模型。基于HFRP层合板的破坏机制,提出材料仅发生一次破坏的临界混杂比,并分成三个混杂比范围给出强度估算模型。最终以体现分散度的混杂效应系数对估算结果加以修正。结果表明：计算值与试验值近似,预估模型计算所得临界混杂比与试样拉伸试验时的应力-应变曲线分析结果相符,模型可为今后的实际应用提供理论依据。本文提出的预估方法可以反应混杂比和分散度对平纹织物为增强体的HFRP强度和刚度的影响,扩展了混合定律的应用范围。     

碳纳米管对碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响

为了探讨碳纳米管(CNTs)对碳纤维/环氧树脂复合材料(CF/ER复合材料)力学性能与疲劳寿命的影响,利用静态拉伸实验和拉-拉疲劳实验沿纤维方向对CF/ER复合材料和CNTs增强CF/ER复合材料(CNTs/CF/ER复合材料)进行了对比研究,同时利用X射线仪与扫描电镜对试样进行了观察.研究结果表明,CNTs的加入,虽然对CF/ER复合材料的拉伸力学性能影响不明显,但可以提高高周疲劳寿命约4倍,使各种实验应力水平下的裂纹密度降低9.5％以上,并可观察到试样中CNTs的拔出、破裂及桥联作用.由此可见,CNTs的加入可明显改善CF/ER复合材料的疲劳寿命.