高体积含量颗粒增强复合材料的一个细观力学模型Ⅰ: 弹性分析与等效模量

提出了一种高体积含量颗粒增强复合材料的细观力学模型。该模型将颗粒简化为同质、同尺寸的弹性圆球, 两颗粒之间的粘接材料(基体) 简化为连接颗粒的一段圆柱体, 假设了圆柱形基体中的细观位移分布形式, 在此基础上分析了一对颗粒之间弹性的细观应力场和细观弹性系数, 将颗粒对的细观弹性系数在空间各个方向上平均, 得到材料的宏观弹性常数, 并建立了宏、细观分析之间的联系。最后用本模型分析了一种实际材料(两种体积含量) , 弹性常数的预测与实验吻合良好, 研究还发现颗粒的空间分布方式对材料宏观弹性常数的影响不大, 而对细观应力的影响显著。      

高体积含量颗粒增强复合材料的一个细观力学模型Ⅱ: 弹塑性与损伤分析

在高体积含量颗粒增强复合材料细观弹性分析的基础上, 引入了细观塑性和细观损伤模型: 基体用服从Von Mises 屈服准则的理想弹塑性材料模拟, 用沿圆柱形基体轴线方向的平均应力(即对称面上的应力) 来判断基体的屈服, 并将基体的塑性部分简化为圆柱状轴对称区域。建立了基体和颗粒/ 基体界面统一的损伤准则, 该准则同时考虑了最大应变和三轴应力的影响, 通过对细观塑性和细观损伤在空间取向上的平均, 建立了材料宏观模量的折减法则。用该细观力学模型, 数值模拟了一种实际金属基复合材料的强度实验, 理论模型与实验结果吻合。      

纤维增强复合材料考虑损伤的温度胀缩细观力学模型

采用细观力学方法,建立了纤维增强复合材料（FRC）包含基体微裂纹和纤维/基体脱粘的热胀/冷缩理论模型。模型考虑了基体、界面中不同分布取向的微裂纹在升温和降温过程中张开、闭合情况的差异,及其对复合材料平均热胀/冷缩系数（CTE/CTC）的影响,同时还考虑了细观应力分布不均匀的因素。建立了细观有限元模型对理论模型进行验证。研究发现：复合材料损伤后CTE和CTC不一致,且取决于损伤模式：基体微裂纹损伤使得复合材料的横向CTE高于无损材料,而横向CTC低于无损材料,但对纵向CTE/CTC影响不大;纤维界面脱粘能较明显地减小复合材料的纵向CTC,但对横向CTC的影响可忽略。     

界面损伤对颗粒增强复合材料弹性性能的影响

应用细观力学理论研究颗粒增强复合材料界面损伤问题, 分析颗粒界面局部开裂与均匀开裂同时存在时材料弹性性能的改变, 讨论损伤颗粒形状对材料有效弹性模量的影响。所有分析结果均以显式给出, 以便于研究者参考及工程应用。      

复合材料界面微观力学表征方法及界面细观力学模型研究进展EI北大核心CSCD

复合材料界面的应力传递对材料的性能有着重要的影响,对于界面相的组成、结构、使用温度及强度的研究极为重要。文中对单丝复合材料界面微观测试方法进行了归纳总结,重点介绍了微观测试方法在高温下、动态载荷加载过程中、串珠纤维表征、原位检测可视化等界面表征方面的研究现状,并介绍了细观力学模型在界面失效、界面增强机理等方面的研究进展。最后分析了目前研究中界面理论的缺失,并就未来的研究方向进行了合理性建议。     

考虑界面影响的混凝土弹性模量的数值预测

提出了一种考虑界面过渡层影响的混凝土弹性模量的数值预测方法。将球形骨料与包裹它的界面过渡层作为二相复合球结构的等效颗粒,由广义自洽方法计算不同粒径骨料与界面过渡层组成复合球的有效模量。然后由等效颗粒生成的随机骨料模型建立体积表征单元,施加均匀位移边界条件,通过数值方法计算该体积表征单元中的应力和应变场,由细观力学数值均匀化方法预测体积表征单元的有效弹性模量。计算结果表明:对于不同骨料含量的混凝土,有效弹性模量的预测值与试验值非常接近,界面过渡层的厚度对混凝土的整体弹性性质有较大影响。     

基于细观力学的沥青混合料动态模量预测

为了建立能够表征组分材料性能及细观结构特征的沥青混合料动态模量预测模型, 根据复合材料细观力学理论, 将沥青混合料视为由沥青胶浆包裹的集料颗粒嵌入于有效沥青混合料介质中的复合材料, 考虑集料尺寸、级配组成和空隙的影响, 建立了沥青混合料动态模量三相细观力学预测模型。结合组分材料性能研究, 应用该预测模型求解得到了动态模量, 其与试验值比较结果表明, 预测值较试验值小, 产生此差异的原因可归结为模型的适用条件与真实细观结构的差别;据此对预测模型进行了修正, 提出了考虑沥青膜厚度的动态模量细观力学分析方法;鉴于集料与沥青胶浆之间的力学特性差异, 简化了预测模型求解参数, 给出了参数值的范围。     

纤维复合材料粘弹性动态性能的细观力学分析

建立了纤维增强复合材料粘弹性动态性能的细观力学模型.首先建立了树脂基体相各向同性的粘弹性模型,模型参数由纯树脂基体材料的蠕变试验获取,在此基础上分别建立了针对单向和正交铺层复合材料的横观各相同性、正交各相异性的细观粘弹性模型.对单向、正交铺层复合材料进行了静态和动态试验,分别通过试验和上述理论模型得到了其阻尼比、动态储存模量、损耗模量和损耗因子,理论预测与试验结果吻合.     

基于细观力学的缠绕复合材料弹性模量的预测分析

本文在细观力学模型的基础上,考虑到缠绕工艺,提出一种计算缠绕复合材料三维弹性模量的方法。该方法将代表单元分为层合部分和编织部分。层合部分用经典层合板理论计算刚度矩阵,编织部分采用四胞模型和均一化方法计算刚度矩阵,最后按两部分在代表单元中所占比例,将两部分的刚度矩阵平均化,得到代表单元的刚度矩阵。利用该方法预测了几种材料的弹性模量,并与实验结果对比,结果显示本文所提出的方法能较好地计算缠绕复合材料的弹性模量。     

颗粒填充型复合材料有效导热系数的数值计算方法

基于Monte Carlo随机摆放方法,建立颗粒填充型两相复合材料的随机分布模型.应用有限差分法对导热微分方程进行离散,获得差分格式的热传导方程.将复合材料模型中的微观随机结构单元的数据信息导入计算机,应用循环迭代法对差分格式热传导方程进行求解,实现了对二维稳态导热温度场的数值模拟.采用此方法对可以理论求解的特殊情形进行模拟验证,结果表明其准确可靠.同时模拟了导热增强颗粒含量、颗粒与基体的导热系数比对复合材料有效导热系数的影响,并将模拟结果与Maxwell-Eucken、Bruggeman模型进行了比较,发现该方法的模拟结果在低填充量时与Maxwell-Eucken模型、在高填充量时与Bruggeman模型吻合良好.研究表明所述方法能够较好地计算颗粒填充型复合材料的导热系数.     

Generalized Bruggeman Formula for the Effective Thermal Conductivity of Particulate Composites with an Interface Layer

Combining the well-known Bruggeman theory and Nan et al. results, formulas for predicting the effective thermal conductivity of anisotropic particulate composites with an interface layer are derived. These formulas are valid for a composite material containing arbitrarily oriented ellipsoidal particles with any aspect ratio, and they can be expected to be suitable mainly for large volume fractions, when the thermal interaction between neighboring particles needs to be considered. Results of the present approach are reduced to simpler formulas for some limiting cases in the particle shape. Theoretical analysis of the effective thermal conductivity as a function of volume fraction and shape of the particles is performed. Comparison of the obtained formulas with previously reported experimental data for the effective thermal conductivity is also presented.     

甘蔗渣纤维增强可降解复合材料的制备与弯曲模量的预测

利用压制成型制备了甘蔗渣纤维增强可降解复合材料,分析了纤维的热分解性能,研究了纤维含有量和纤维长度对材料弯曲模量的影响,利用Cox剪滞法和材料的结构特点,探讨了一种新的修正模型对弯曲模量的预测。实验表明,随着纤维含有量和纤维长度的增加,材料弯曲模量呈递增趋势。扫描电镜的观察显示了甘蔗渣纤维的横断面呈现蜂窝状结构,成型后受到压缩而变得致密,导致了弯曲模量的提高。预测结果表明,导入了纤维压缩率的修正模型的理论计算值与实验值取得了良好一致。     

包套热挤压SiCp/6066铝基复合材料弹性模量的研究

采用包套热挤压工艺制备了不同体积分数SiCp增强的6066铝基复合材料,使用动态弹性模量测定仪测定材料的弹性模量,对材料的微观组织进行扫描电镜和透射电镜观察.研究表明,制备出的SiCp/6066铝基复合材料增强相分布均匀,孔隙率很小,但界面结合力较弱,使得材料的弹性模量较低.     

纤维/聚合物泡沫复合材料的增强机理及模量预测

主要概述了纤维/聚合物泡沫复合材料性能的影响因素,总结了纤维的增强机理,讨论并分析了应用Halpin-Kerner模型及其修正公式进行模量预测的可行性及与实测值存在偏差的原因,最后指出采用有限元建模将能考虑到更多的影响因素,模量预测结果更为接近实验结果。     

无机粒子填充聚丙烯复合材料弹性模量的预测模型及影响因素分析

阐述了预测聚丙烯(PP)/无机粒子复合材料弹性模量的复合法则、 Eistein方程及其修正、Kerner方程、Liang方程.从结构因素方面分析了弹性模量的影响因素.分析表明:无机粒子的粒径越小、分布越合理,其填充PP复合材料的弹性模量越大;与球形、方形等其它粒子相比,长径比较大的薄片状无机粒子具有更强的增强复合材料弹性模量的能力;复合材料的弹性模量随无机粒子含量的增加而提高;提高无机粒子-PP树脂的界面黏结强度以及改善无机粒子在树脂中的分散状态可以提高复合材料的弹性模量.最后指出,影响因素的定量表征和多因素分析是今后的主要研究方向.     

A New Model for the Transverse Modulus of Unidirectional Fiber Composites

In this paper a new micromechanical model for predicting the transverse modulus of unidirectional continuous and discontinuous fiber composites is proposed. This model is based on modeling a composite with a regular array of volume elements and constructing a stress pattern based on simple averaging procedures in the direction transverse to the fiber axis for a representative volume element. The effects of fiber aspect ratio, interfiber spacing and fiber end gap on the transverse modulus of discontinuous fiber composites are discussed in detail. The predictions of the model are compared with existing experimental results for various fiber/matrix systems and very good agreement is found. The present model has advantages over other existing models not only because the effects of fiber aspect ratio, interfiber spacing and fiber end gap are taken into account and the expression for the transverse modulus of composites is simple in form but also because the present model gives precise predictions of the transverse composite modulus.     

A Novel Processing Technique for Tow Fiber Reinforced Metal Matrix Composites with Tailored Interfaces

A novel metal matrix composite processing technique based upon plasma-assisted physical vapor deposition (PVD) of metais/alloys has been developed wherein, starting with lower cost tow fibers, the tows are spread to separate the individual filaments and then each filament coated uniformly with the matrix by plasma sputtering inside a hollow cathode magnetron. The coated fibers are then densified into a composite. This technique allows the synthesis of metal matrix composites with high fiber volume fractions. The resulting composite exhibits a uniform microstructure with complete infiltration of the matrix. Further, the plasma-assisted deposition process spares the tow filaments from severe strength degradation normally associated with melt-infiltration processing. Also, for chemically or thermo-mechanically incompatible fiber-matrix systems, the technique allows the incorporation of an interfacial layer (engineered for greater chemical inertness or lower residual stresses) prior to the deposition of the matrix. This technique has been applied here to synthesize composites based on Nextel 610 tows and Superalloy matrices (Thermo-span, Haynes 214 or Inconel 718) with a Mo chemical barrier layer.     

大塑性变形制备铝、镁基颗粒增强复合材料的研究进展

综述了目前大塑性变形(SPD)制备铝、镁基颗粒增强复合材料工艺的研究进展;总结了在SPD过程中复合材料增强颗粒的细化、再分布及基体合金晶粒的超细化等组织演变特点;分析了经SPD加工后铝、镁基颗粒增强复合材料的强韧化机制以及其力学性能的提升空间。最后指出了SPD制备颗粒增强复合材料尚存在的问题及可能的发展方向。     

复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法

针对复合材料层板在冲击载荷下,各种损伤的产生和扩展是一个随载荷、时间和空间而演变的过程,发展了复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法.采用刚度退化技术和改进的Chang-Chang失效准则、显式有限元法来模拟复合材料层合板受到低速冲击下逐渐损伤过程.使用所发展的方法分析了[0m/90n/0m]铺层的复合材料层合板在低速冲击过程中的逐渐损伤扩展,结果表明本文的方法能较好地模拟复合材料层板在低速冲击下的损伤扩展及变形过程,计算结果与实验结果吻合较好;对不同冲击能量下层合板损伤扩展研究表明,冲击能量与分层损伤面积成线性关系.