Uncertainty of Positioning and Displacement Measurements in Quantum and Thermal Regimes

We analyze the performance of position-sensing devices and of distance- or displacement-measuring instruments, and we find that the ultimate uncertainty at the quantum limit of detected signal is given by the same expression in all cases, namely, a characteristic length L_c divided by radicNph, the square root of the number of photons detected in the time interval of the measurement. We derive the expression of the length L_c for well-known position-sensing devices (the quadrant photodiode and the position-sensing detector) and for several measuring instruments (pulsed and sine-wave-modulated rangefinders, triangulation telemeter, laser interferometer, and the optical rule). We also extend the analysis of the uncertainty results to the thermal regime case of detection, i.e., when the detector dark current and preamplifier noises are dominant with respect to quantum noise.     

Reliability approach to the tensile strength of unidirectional CFRP composites by Monte-Carlo simulation in a shear-lag model

A numerical technique based on the Monte-Carlo method in a shear-lag model is developed to simulate the tensile strength and fracture process for a unidirectional carbon-fiber-reinforced-plastic (CFRP) composite. The technique improves on the conventional approach by using an r_min method that can determine the stresses working on the fiber and matrix elements as the damage progresses. The r_min method is based on tracking the incremental ratio of the strength of an element to its stress. The present model includes the effect of the sliding frictional forces around fiber breaks caused by debonding between the fiber and matrix. Statistical properties of the tensile strength were obtained through simulation runs involving 100 samples for each value of the frictional force parameter. Also studied was the size effect in composite strength with increasing numbers of fibers, N, where it was found numerically that mean strength varies linearly as 1/[ln(N)]^1/2 and coefficient of variation varies linearly as 1/ln(N), as suggested from a simple theory.     

Prediction of the fracture toughness of fibrous composites

A statistical/micromechanical model is developed for the prediction of the fracture toughness of fibrous composites. The fracture resistance of the material is assumed to be related to the statistical distribution of the fiber pull-out length. The distribution of the fiber pull-out length is derived from the fiber strength distribution. The R-curve behavior of the fibrous composite is predicted and interpreted based on the present model. The limiting fracture toughness is predicted to be proportional to the square root of the ineffective length, or proportional to the square root of the fiber length if the fiber length is less than the ineffective length.     

聚丙烯-钢纤维/混凝土柱大偏心受压承载力计算

对270个聚丙烯纤维掺量(体积分数)分别为0vol%、0.1vol%、0.2vol%、0.3vol%、0.4vol%、0.5vol%、钢纤维掺量(体积分数)分别为0vol%、0.5vol%、1vol%、1.5vol%、2vol%的聚丙烯-钢纤维/混凝土试块进行立方体抗压试验、轴心抗压试验和劈裂抗拉试验,基于复合材料力学理论,考虑纤维的取向系数、长度有效系数和界面黏结系数,对其建立强度预测模型并进行机制分析,同时选取掺量分别为0vol%、0.1vol%、0.3vol%的聚丙烯纤维、掺量分别为0vol%、1.5vol%的钢纤维制作6根聚丙烯-钢纤维/混凝土柱,对其进行大偏心受压试验,在强度预测模型的基础上进行承载力计算,提出聚丙烯-钢纤维/混凝土承载力计算方法。结果表明:钢纤维对聚丙烯-钢纤维/混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度均有提高;聚丙烯纤维可提高聚丙烯-钢纤维/混凝土的劈裂抗拉强度,但不能提高聚丙烯-钢纤维/混凝土的抗压强度;聚丙烯-钢混杂纤维加入混凝土柱可有效提高其极限承载力。      

碳纤维表面改性增强Fe3Al-Al2O3复合材料的制备及组织性能

采用溶胶-凝胶分散和热压烧结制备了短切碳纤维（CF_s）/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料。分别通过电化学镀Cu和化学气相沉积SiC对CF_s表面修饰和改性,研究了Cu镀层和SiC涂层对CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料显微组织、相组成、力学性能及断裂行为的影响。结果表明,未修饰的CF_s在Fe₃Al-Al₂O₃基体中受到严重侵蚀,CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料致密度低,抗弯强度仅为239.0 MPa,与Fe₃Al-Al₂O₃强度相当;表面镀Cu可有效保护CF_s不被侵蚀,同时提高了CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料的烧结致密性和界面结合强度,从而明显提高了复合材料的断裂强度,但断裂过程中纤维拔出较短;CF_s表面沉积SiC的CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料组织均匀致密,表面涂层完整,且与纤维及基体之间结合力相当,断裂过程中,涂层既可随纤维一起拔出基体,也可与CF_s分离而留在基体之中,SiC涂层与纤维及基体之间的弱相互作用很大程度上促进了纤维脱黏和拔出,从而促进CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料韧化所需的渐进破坏机制。      

考虑氧化损伤的陶瓷基复合材料弹性模量多尺度预测模型

分析了化学气相渗透(CVI)工艺制备的陶瓷基复合材料的氧化损伤演化规律,基于基体的微裂纹分布规律及界面、纤维、基体等组分氧化历程,建立了考虑温度、氧化时间影响的纤维和单胞两个尺度的弹性模量预测模型。预测结果表明,碳纤维(C_f)/SiC和SiC纤维(SiC_f)/SiC复合材料的拉伸弹性模量随氧化温度升高和氧化时间的增长,下降趋势越明显。通过复合材料高温氧化后的力学性能试验,验证了弹性性能预测模型的正确性:BN界面的SiC_f/SiC材料在1000℃不同时间氧化后预测结果与试验结果误差不超过2%;PyC界面的C_f/SiC在700℃不同时间氧化后预测结果与试验结果误差不超过7%。      

考虑骨料体积含量影响的混凝土准脆性断裂预测模型及应用

基于对准脆性断裂边界影响模型参数的分析,该文将平均骨料粒径d_ave引入模型中,得到了考虑骨料体积含量及尺寸影响的混凝土准脆性断裂预测模型。模型中的有效裂缝与特征裂纹的比值,明确表征了三分点加载单边切口梁(SENB)试件的尺寸及初始缝长度变化时服从的断裂失效准则;模型中d_ave及分散系数β_ave将影响最大荷载P_max作用下临界微裂纹扩展区的平均虚拟裂纹长度Δa_fic。通过SENB试件在P_max时的受力分析,得到了临界正应力σ_n、有效裂缝长度a_e、拉伸强度f_t及断裂韧度K_IC之间的关系式。通过Amparano的试验结果,当a_fic为0.8~1.4倍d_ave时,采用混凝土准脆性断裂模型能较好预测混凝土拉伸强度及断裂韧度。通过对Δa_fic=1.2d_ave时模型得到的预测曲线与试验结果的对比,证明了模型计算结果的可靠性。考虑骨料体积含量影响的混凝土准脆性断裂模型能基于RILEM规范中三分点加载SENB试验预测混凝土断裂韧度与拉伸强度。     

2D-SiCf/SiC复合材料抗拉强度统计分布规律

2D-SiC_f/SiC复合材料是航空航天领域热端构件的关键材料。材料抗拉强度的统计分布规律在构件的设计与分析中发挥着重要作用。本文测试了化学气相渗透方法制备的2D-SiC_f/SiC的室温和1 200℃的抗拉强度,并使用扫描电子显微镜进行了断口形貌分析。采用Weibull分布、正态分布和对数正态分布等三种模型分析了测试结果,并根据Anderson-Darling检验方法进行了检验。结果表明,Weibull分布对2D-SiC_f/SiC抗拉强度拟合优于正态分布和对数正态分布。根据Weibull模数大小,1 200℃抗拉强度的分散性大于室温抗拉强度的分散性。利用二参数Weibull分布精确预测了2D-SiC_f/SiC室温和1 200℃抗拉强度。分析表明2D-SiC_f/SiC抗拉强度的分散性主要来源于纤维/基体界面结合强度和纤维强度的分散性。      

Al2O3纤维对SiO2基陶瓷型芯的烧缩阻滞

向SiO₂基体粉料中添加Al₂O₃纤维,采用热压注法制备Al₂O₃/SiO₂陶瓷型芯。分析Al₂O₃纤维含量对陶瓷型芯性能的影响。研究结果表明：Al₂O₃纤维含量对Al₂O₃/SiO₂陶瓷型芯的线收缩率、体积密度和抗弯强度均有较大的影响。当Al₂O₃纤维含量大于1wt%时,Al₂O₃/SiO₂陶瓷型芯的线收缩率大幅度降低,稳定在0.335%左右,体积密度随之降低,稳定在1.790 g · cm^-3左右;当Al₂O₃纤维含量为1wt%时,陶瓷型芯抗弯强度达最大值20.48 MPa。分析了Al₂O₃纤维对Al₂O₃/SiO₂陶瓷型芯烧结收缩的阻滞作用机制。     

碳化硅纳米线增韧碳化硅纤维/碳化硅基体损伤行为研究

通过在碳化硅纤维表面原位生长纳米线得到具有多级增强结构的碳化硅复合材料, 对复合材料引入纳米线后的微观结构、弯曲强度以及损伤的变化过程进行了研究。研究结果表明, 相较于原始的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料, 碳化硅纳米线可以明显提高基体沉积效率并改善材料的弯曲力学性能。从声发射技术和维氏硬度压痕测试结果可以看出, 纳米线通过抑制微裂纹的产生和在微裂纹之间发生桥联来抑制早期损伤的发展。此外, 在纳米线表面沉积一层氮化硼界面相, 纳米线与基体之间的结合力变弱, 复合材料对微裂纹的抑制和偏转得到进一步增强, 弯曲性能大幅提升。     

低模量聚酯纤维/水泥基复合材料抗冲击性能及损伤机制

研究聚酯纤维长径比、掺量对混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、断裂韧性及冲击荷载等力学性能的影响;运用复合材料理论和纤维间距理论对聚酯纤维/混凝土增韧阻裂机制进行研究,结合SEM观察微观形貌分析纤维长径比与掺量对增韧阻裂机制的影响;采用正交试验设计方法及激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)研究冲击高度、试件厚度、长径比及掺量对纤维/混凝土抗冲击性能的影响。结果表明,长径比为300与600的聚酯纤维会降低混凝土抗压强度,低掺量长径比为150的聚酯纤维通过提高混凝土致密程度使混凝土抗压强度有所提升;在抗拉强度方面长径比为150的聚酯纤维主要以缺陷形式存在,长径比为300的聚酯纤维对改善混凝土内部拉结作用最显著,3%(与胶凝材料体积比)掺量聚酯纤维对提高混凝土抗折强度最显著;对于混凝土断裂韧性,长径比为300与600的聚酯纤维/混凝土断裂韧性提高明显,通过SEM微观形貌发现纤维拉结作用产生的微裂纹会提高混凝土耗能能力,从而提高混凝土极限荷载与破坏时中心挠度,长径比为300的聚酯纤维/混凝土抗拉强度变化规律与复合材料理论和纤维间距理论分析结果较吻合;冲击高度为影响冲击荷载大小的主要因素,纤维长径比较纤维掺量影响较大,通过LSCM三维损伤形貌分析得出长径比为150的聚酯纤维对混凝土材料损伤改善效果较显著,同等掺量下长径比为150的聚酯纤维间距较小导致混凝土局部力学性能提高,从而提高混凝土抗冲击性能。      

Microdebonding investigation of the effects of thermal residual stress on the bond strength of a graphite/polymide composite

The microdebonding test was used to investigate the effects of thermal residual stresses resulting from different lay-ups in fabrication on the fiber/matrix bond strength of a graphite-fiber-reinforced polyimide composite. This was accomplished by comparing the results of a cross-plied laminate with those of a unidirectional laminate. The results indicated that the measured interfacial bond strength of the unidirectional composites was greater than that of the cross-plied laminate. The thermal radial stress distribution around the fiber for the unidirectional and the [0₂, 90₂]_s laminates were estimated, to explain this reduction of the interfacial bond strength.     

注塑成型纤维增强热塑性树脂复合材料刚度预测方法

基于Hsueh模型的应力场分布,采用代表性体积单元(RVE)平均近似方法,推导出可以退化成Halpin-Tsai模型的泊松比ν₁₂的显性表达式,与桥联模型基本重合。结合Fu模型和Giner模型,引入与纤维长径比(l/a)相关的指数衰减函数得到横向模量E₂₂修正的Halpin-Tsai模型,与自洽模型重合。基于泊松比各向同性假设而推导出的泊松比ν₂₃与有限元结果逼近,远优于Halpin-Tsai模型;基于逆向工程,修正了被Halpin-Tsai模型低估的剪切模量G₂₃。基于经典的层合板分析方法(LAA),引入纤维长度分布(FLD)及纤维取向广义分布函数,对两种注塑成型短玻璃纤维增强热塑性树脂(FRT)复合材料的弹性常数进行预测。结果表明:4个微观力学组合模型均很好地预测了复合材料的弹性常数,但纤维长度质量分布的预测结果比纤维长度数量分布的结果更为合理,特别是对于纵向杨氏模量E_L的改进效果大于5%。      

单向碳纤维/环氧树脂预浸料叠层的面内变形行为

为了充分了解热隔膜成型过程中预浸料的变形行为，通过偏轴拉伸测试探索了热固性单向碳纤维/环氧树脂预浸料在高温条件下的面内变形机制。研究参数包括试验温度、拉伸速率、预热时间和铺层顺序等。利用数字图像相关技术，在测试过程中监测单向碳纤维/环氧树脂预浸料的变形和纤维的旋转情况。结果表明，提高试验温度或降低拉伸速率均有利于促进单向碳纤维/环氧树脂预浸料的变形。铺层顺序对单向碳纤维/环氧树脂预浸料铺层的变形行为有很大影响，[45/–45/90]_S铺层方式比 [45/90/–45]_S铺层方式更有利于纤维旋转，且[45/–45/90]_S铺层方式变形阻力更小。采用铰链连接网(Pin-joined net, PJN) 理论对单向碳纤维/环氧树脂预浸料铺层变形过程中纤维角度变化进行预测并与实验结果进行对比，结果表明，用PJN理论预测的纤维旋转角度值与测试值存在较大偏差，说明其并不适用于预测热固性单向碳纤维/环氧树脂预浸料变形过程中纤维角的变化。同时，80℃预加热可以提高单向碳纤维/环氧树脂预浸料的变形阻力。      

Fiber and interface strength distribution studies with the single-fiber composite test

Application of the single-fiber composite (sfc) tension test for fiber and interface strength determination is discussed. Fiber breaking and fiber/matrix debond propagation are modelled by Poisson processes. Fiber fragment length distribution as well as debond length dependency upon the applied stress are derived and their interrelation revealed.

Acoustic emission monitoring of the sfc during a test is utilized to obtain the dependency of mean fragment length upon stress and consequently on the Weibull distribution shape and scale parameters. Excellent agreement with data obtained by notoriously complicated conventional fiber tests is observed.     

纤维预热温度对连续Al2O3f/Al复合材料力学性能的影响

选用Nextel610型Al₂O₃纤维为增强体、ZL210A连续氧化铝合金为基体,采用真空压力浸渗法制备纤维增强铝基复合材料(Al₂O_3f/Al),纤维的体积分数为40%,预热温度分别为500、530、560和600℃,研究了纤维预热温度对Al₂O_3f/Al复合材料的微观组织、纤维损伤和力学性能的影响。结果表明：随着纤维预热温度的提高复合材料的致密度随之提高,最大达到99.2%,材料的组织缺陷最少,纤维的分布均匀;随着纤维预热温度的提高从复合材料中萃取出来的Al₂O₃纤维的拉伸强度不断降低,纤维预热温度为600℃的复合材料中Al₂O₃纤维的拉伸强度仅为1150 MPa,纤维表面粗糙,有大尺寸附着物。纤维的预热温度对Al₂O_3f/Al复合材料的拉伸强度有显著的影响。预热温度为500、530、560和600℃的复合材料其拉伸强度分别对应于298、465、498和452 MPa。组织缺陷、纤维损伤和界面结合强度,是影响连续Al₂O_3f/Al复合材料强度的主要因素。     

纳米SiO2对钢纤维/混凝土高温后力学性能及微观结构的影响

研究了掺纳米SiO₂的钢纤维混凝土(NSFC)、 钢纤维混凝土(SFRC)和普通混凝土(NC)三种材料在不同加热温度后的抗压、 劈裂和抗折强度等力学性能, 对不同温度热处理后的微观结构进行了SEM分析, 对钢纤维与过渡区界面的相结构进行了XRD分析。结果表明: 在测试温度范围内, NSFC的抗压、 劈裂和抗折强度均高于SFRC和NC的强度, 且在400 ℃时达到最大值。在常温下, NSFC的抗压、 劈裂和抗折强度较NC分别提高27.01%、 63.28%和54.12%, 400 ℃高温热处理后比NC分别高35.09%、 84.62%和87.23%; SEM分析表明, 在钢纤维与过渡区的界面处, 致密度提高, 显微硬度提高。由于固相反应, 使界面区结构发生变化, 在钢纤维表层形成扩散渗透层(白亮层), 即化合物层, 呈锯齿状, XRD分析证明, 白亮层主要由FeSi₂和复杂的水化硅酸钙组成, 从而增强了钢纤维与基体的粘结力, 提高了混凝土的高温力学性能。     

AlB2对高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料及其裂解产物力学性能的影响

以AlB₂和SiC颗粒填充酚醛树脂作为基体,高硅氧纤维作为增强体,制备了高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料。研究了不同添加量的AlB₂颗粒对高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料常温和1 200℃裂解产物性能的影响,并分析了AlB₂颗粒对其裂解产物的增强机制。结果表明:随着AlB₂颗粒的添加,高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料常温下的弯曲强度逐渐减小,但其1 200℃裂解产物的弯曲强度先增大后减小。当AlB₂颗粒与酚醛树脂的质量比为12%时,裂解产物的弯曲强度提高最为显著,相比未添加AlB₂颗粒的复合材料,其裂解产物的弯曲强度提高了16.4%。AlB₂颗粒在1 200℃有氧环境中反应生成由B₂O₃、Al₂O₃和Al₂₀B₄O₃₆组成的共熔体,填充了树脂基体裂解产生的孔隙,明显减少复合材料...     

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。     

Micromechanical analysis of the strength of unidirectional fiber composites

A micromechanical analysis is presented for the prediction of ultimate stresses of unidirectional fiber composites under complex loading systems. The method is based on micro-failure criteria applied to the fiber and matrix phases as well as to the fiber/matrix interfaces. The theory is implemented for the prediction of the off-axis strength of six types of laminae for which measured data are available, and good agreement is shown to exist in most cases. Several possible generalizations are discussed.