界面对硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料蠕变性能的影响

界面对复合材料蠕变性能的影响很大。在试验分析的基础上建立了硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料理论分析模型,利用三维有限元分析方法,系统研究了界面特性、界面上应力应变分布和短纤维位向变化对硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料蠕变性能的影响。研究表明：界面特性,如厚度、模量,均对纤维最大轴应力和稳态蠕变速率有影响,当界面厚度增加,纤维最大轴应力减小而稳态蠕变速率增大;当界面模量增大,纤维最大轴应力增大而稳态蠕变速率减小,但当界面模量高于基体模量时,纤维最大轴应力和稳态蠕变速率均保持不变;纤维位向也影响轴应力分布和稳态蠕变速率,纤维在其末端界面上存在较大的应力和应变,此处容易产生微裂纹而使材料抗蠕变能力下降;界面对硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料的蠕变曲线和蠕变断裂机制也有影响,其影响程度还与纤维位向有关。     

考虑界面效应的GFRP复合材料蠕变模型

建立了包含界面的玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)蠕变混合率单胞模型,对GFRP的蠕变性能进行分析;并与GFRP在应力水平为初始弯曲强度的20%所对应的载荷下的弯曲蠕变实验结果进行对比。分析了界面模量、界面厚度、纤维连续性与形态以及位向等因素对复合材料蠕变性能的影响。结果表明:相较于不考虑界面效应的混合率模型,本模型具有更高的准确性,与实验结果更为吻合;界面模量反应了纤维与基体的结合程度,对复合材料的蠕变性能产生影响,其蠕变柔量随着界面模量的增大而减小;界面厚度的增大会导致复合材料的蠕变柔量略微增大;相较于连续纤维增强树脂复合材料,短切纤维毡增强树脂复合材料的蠕变性能更易受到界面效应的影响;纤维方向对复合材料蠕变性能有显著影响,随着纤维方向角的增大,复合材料蠕变柔量增大,但当纤维方向角达到60°后,纤维已基本失去载荷传递和增强能力,复合材料蠕变柔量不再继续随着纤维方向角的增大而增大。      

云母和纤维组合增强聚丙烯复合材料Ⅱ.界面性能研究

用单丝拔出法测定了云母和纤维组俣增强聚丙烯合材料中纤维与基体之间的界面结合强度，测定了云母和纤维组合增强聚丙烯复合材料的结晶温度，动态储存模量和线膨胀系数，并计算了纤维因基体体积收缩而形成的径向热残余压缩应力和基体与纤维之间的摩擦系数，研究了云母对纤维和基体界面性能的影响，结果表明，云母的加入使纤维受到的残余应力增加，摩擦系数显著下降，导致基体与纤维界面的结合强度随云母含量的增加先上升后下降。     

单向纤维增强陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对单向纤维增强陶瓷基复合材料的单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用Budiansky-Hutchinson-Evans（BHE）剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场,结合临界基体应变能准则、应变能释放率准则以及Curtin统计模型三种单一失效模型分别描述陶瓷基复合材料基体开裂、界面脱粘以及纤维失效三种损伤机制,确定了基体裂纹间隔、界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与3种单一失效模型相结合,对各个损伤阶段的应力-应变曲线进行模拟,建立了准确的复合材料强韧性预测模型,并讨论了界面参数和纤维韦布尔模量对复合材料损伤以及应力-应变曲线的影响。与室温下陶瓷基复合材料单轴拉伸试验数据进行了对比,各个损伤阶段的应力-应变、失效强度及应变与试验数据吻合较好。     

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.     

CF/PEEK复合材料界面层结构与性能关系研究

本文根据聚醚醚酮(PEEK)在碳纤维表面形式的横晶层的结构特征分析,建立了CF/FEEK复合材料界面层微观力学性能的理论方程,计算了界面层的杨氏模量.通过超声浸渍法测量复合材料的力学性能验证了计算结果,证明所进行的分析合理.计算结果表明,PEEK界面横晶层在垂直于纤维方向的杨氏模量E_r随PEEK结晶度的增大,或随横晶中PEEK晶片长度的增大而增大,并随晶片厚度的增大而减小.该界面层的上述模量值始终高于界面层附近球晶的模量值E_s,两者之间的比值E_T/E_s;依赖于横晶及球晶中的晶片长度b、厚度c和宽度a.由于界面层的模量高于非界面层的模量,当复合材料中纤维表面形成横晶时,复合材料将有较高的刚性.     

正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场。采用断裂力学方法、 临界基体应变能准则、 应变能释放率准则及Curtin统计模型4种单一失效模型确定了90°铺层横向裂纹间距、 0°铺层基体裂纹间距、 纤维/基体界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与4种单一损伤模型结合, 对各损伤阶段应力-应变曲线进行了模拟, 建立了复合材料强韧性预测模型。与室温下正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变曲线进行了对比, 各个损伤阶段的应力-应变、 失效强度及应变与试验数据吻合较好。分析了90°铺层横向断裂能、 0°铺层纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能、 纤维Weibull模量对复合材料损伤及拉伸应力-应变曲线的影响。      

界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸性能的影响

建立了桥联纤维细观力学模型, 研究了界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸模量及强度的影响。分别引入纤维应力均匀系数和界面脱粘率作为界面完全脱粘和局部脱粘条件下界面性能的表征参数。研究表明, 应力均匀系数及界面脱粘率越大, 材料模量越低, 而断裂时纤维所承担的应力越高。基于混合率给出了拉伸强度表达式, 同时也分析了基体裂纹分布、界面脱粘和纤维拔出对强度的影响。计算结果表明, 本文强度模型给出的预测值与试验值吻合较好。      

三维四向编织复合材料界面损伤机理数值分析

考虑界面脱粘表面压应力下摩擦力对材料界面力学性能的影响,建立损伤-摩擦相结合的界面本构模型,编写用户材料子程序VUMAT,实现其在有限元软件ABAQUS中的嵌入。基于周期性胞元分析思想,在单胞模型中纤维束/基体、纤维束/纤维束分界面引入界面单元,结合损伤-摩擦相结合的界面本构模型,建立含界面相三维四向编织复合材料的细观有限元模型。模拟典型载荷下界面损伤的起始和扩展过程,分析界面应力传递和界面破坏机理,研究界面性能对复合材料宏细观力学性能的影响规律,为实现三维四向编织复合材料界面性能优化设计和控制提供参考。      

基于细观有限元方法的复合材料横向力学性能分析

横向断裂是制约复合材料结构设计的关键点,传统细观模型因为不能充分考虑组分性能、体积分数和纤维形状及分布情况而不能有效预测材料横向力学性能。采用改进的随机序列吸收算法建立具有随机纤维分布的复合材料代表性体积单胞模型,考虑基体破坏和界面脱粘两种失效模式和固化过程中产生的残余应力,对模型在横向拉、压、剪3种载荷下的力学行为进行仿真计算。分析了不同界面强度对复合材料力学性能的影响规律。仿真结果与实验数据对比表明:横向模量预测误差在7%以内,压缩和剪切的强度误差在8%以内,结果一致性较好,表明该模型能够有效预测复合材料横向力学性能。     

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。      

连续石墨纤维增强铝基复合材料准静态拉伸损伤演化与断裂力学行为

针对连续石墨纤维增强铝基(CF/Al)复合材料,采用三种纤维排布方式的代表体积单元(RVE)建立了其细观力学有限元模型,采用准静态拉伸试验与数值模拟结合的方法,研究了其在轴向拉伸载荷下的渐进损伤与断裂力学行为。结果表明,采用基体合金和纤维原位力学性能建立的细观力学有限元模型,对轴向拉伸弹性模量和极限强度的计算结果与实验结果吻合良好,而断裂应变计算值较实验结果偏低。轴向拉伸变形中首先出现界面和基体合金损伤现象,随应变增加界面发生失效并诱发基体合金的局部失效,最后复合材料因纤维发生失效而破坏,从而出现界面脱粘后纤维拔出与基体合金撕裂共存的微观形貌。细观力学有限元分析结果表明,在复合材料制备后纤维性能衰减而强度较低条件下,改变界面强度和刚度对复合材料轴向拉伸弹塑性力学行为的影响较小,复合材料中纤维强度水平是决定该复合材料轴向拉伸力学性能的主要因素。     

Microscopic failure mechanisms of fiber-reinforced polymer composites under transverse tension and compression

The mechanical behavior of unidirectional fiber-reinforced polymer composites subjected to tension and compression perpendicular to the fibers is studied using computational micromechanics. The representative volume element of the composite microstructure with random fiber distribution is generated, and the two dominant damage mechanisms experimentally observed – matrix plastic deformation and interfacial debonding – are included in the simulation by the extended Drucker–Prager model and cohesive zone model respectively. Progressive failure procedure for both the matrix and interface is incorporated in the simulation, and ductile criterion is used to predict the damage initiation of the matrix taking into account its sensitivity to triaxial stress state. The simulation results clearly reveal the damage process of the composites and the interactions of different damage mechanisms. It can be concluded that the tension fracture initiates as interfacial debonding and evolves as a result of interactions between interfacial debonding and matrix plastic deformation, while the compression failure is dominated by matrix plastic damage. And then the effects of interfacial properties on the damage behavior of the composites are assessed. It is found that the interfacial stiffness and fracture energy have relatively smaller influence on the mechanical behavior of composites, while the influence of interfacial strength is significant.     

颗粒增强复合材料非理想界面刚度和有效模量的理论估计

采用内聚力模型(CZM)描述颗粒增强复合材料(PRCs)颗粒/基体非理想界面的力学行为,采用细观力学的Mori-Tanaka(M-T)方法和稀释解方法研究非理想界面刚度对该复合材料有效模量的影响。结果表明:复合材料某一体积含量下的有效模量和其颗粒/基体非理想界面刚度之间存在单调递增的关系曲线。同一复合材料不同体积含量的有效模量和非理想界面刚度关系曲线存在一个临界交点(CP),该点对应的临界界面刚度控制着颗粒体积分数对有效模量的影响。研究了基体和增强相的力学性能以及增强颗粒的尺寸对CP点临界界面刚度的影响。采用有效模量-界面刚度关系曲线,结合实验测得的有效模量,提出了估算PRCs的非理想界面刚度的方法,进而估计了复合材料的宏观有效模量。      

废丁苯胶乳/废聚酯纤维高强高模复合材料的制备与性能

采用液相高剪切混合、共沉预处理技术改善纤维在橡胶基体中的分散及其界面结合,制备了废丁苯胶乳/废聚酯纤维高强高模复合材料,并系统研究了复合材料的硫化特性、力学性能、动态力学性能和断面微观形貌。结果表明,当纤维的质量分数为60%时,复合材料具有最佳的力学性能,其拉伸强度为23.2 MPa,而未填充纤维的硫化胶强度仅为9.3MPa;同时,室温下材料的储能模量提高了约19倍。     

Influence of short bamboo/glass fiber on the thermal, dynamic mechanical and rheological properties of polypropylene hybrid composites

The present article summarizes the development of polypropylene-bamboo/glass fiber reinforced hybrid composites (BGRP) using an intermeshing counter rotating twin screw extruder followed by injection molding. Maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP) has been used as a coupling agent to improve the interfacial interaction between the fibers and matrix. The crystallization and melting behavior were investigated employing differential scanning calorimetry (DSC). Thermogravimetric analysis (TGA) indicates an increase in thermal stability of the matrix polymer with incorporation of bamboo and glass fibers, confirming the effect of hybridization and efficient fiber matrix interfacial adhesion. The dynamic mechanical analysis (DMA) showed an increase in storage modulus (E′) indicating higher stiffness in case of hybrid composites as compared with untreated composites and virgin matrix. The rheological behavior of the hybrid composites has also been studied using time–temperature superposition (TTS) principle and corresponding viscoelastic master curves have been constructed.     

高刚度环氧树脂与高模碳纤维的界面相容和性能匹配

自行开发了一种高刚度环氧树脂（5182树脂）,研究了5182树脂的增刚机制、耐热性能和力学性能。结果表明,原位生成的酰亚胺刚性链段及增加的多交联位点提高了5182树脂交联网络的刚性,其玻璃化转变温度达228℃,拉伸模量达到4 375 MPa。采用高刚度5182树脂制备了国产BHM3和东丽M40J高模碳纤维增强高刚度环氧树脂复合材料,考察了高模碳纤维/高刚度环氧树脂单丝复合材料的界面黏结性能和断面微观形貌,并评价了高模碳纤维/高刚度环氧树脂单向复合材料的宏观力学性能。结果表明,由于树脂模量的提高及界面破坏区域由碳纤维表面转移到环氧树脂区,高模碳纤维/高刚度环氧树脂复合材料的界面剪切强度最高达106.8 MPa,宏观力学性能优异,尤其弯曲性能和层间剪切强度大幅提高。      

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。     

The effect of polybutadiene interlayer on interfacial adhesion and impact properties in oxygen-plasma-treated UHMPE fiber/epoxy composites

In order to improve the interfacial adhesion and impact properties of ultra-high modulus polyethylene (UHMPE) fiber/epoxy composites at the same time, the fiber coating technique was combined with the oxygen plasma treatment. The UHMPE fiber was treated with oxygen plasma and thin polybutadiene (PB) coating was introduced. PB coating decreased the interfacial adhesion and increased the impact property of the oxygen-plasma-treated UHMPE fiber/epoxy composites. However, oxygen-plasma-treated and PB-coated UHMPE fiber/epoxy composites show improved interfacial adhesion, flexural properties and impact property in comparison with the untreated control UHMPE fiber/epoxy composites. Oxygen plasma treatment introduces micro-pittings on the UHMPE fiber surface. These micro-pittings improved interfacial adhesion and flexural properties and decreased impact properties through mechanical interlocking. Thin PB coating cannot exclude this mechanical interlocking effect completely and there are imperfect wetted UHMPE fiber surface regions in which effect mechanical interlocking can occur. Stress transfer through the viscous PB interlayer also contributes to the interfacial adhesion and flexural properties of PB-coated UHMPE fiber/epoxy composites. The impact property of PB-coated UHMPE fiber/epoxy composites is due to low modulus PB interlayer.     

高强高模聚酰亚胺纤维/环氧树脂复合材料力学性能与破坏机制

以高强高模聚酰亚胺（PI）纤维为增强体,以航空级环氧树脂（EP）为基体,通过热熔法制备预浸料并采用热压罐成型技术制备了PI/EP复合材料层合板,对其力学性能和破坏形貌进行了分析。结果表明:高强高模PI纤维与EP具有良好的界面结合力,PI/EP复合材料的层间剪切强度为65.2 MPa,面内剪切强度为68.6 MPa;良好的界面结合状态能充分发挥PI纤维优异的力学性能,PI/EP复合材料的纵向拉伸强度达1 835 MPa,弯曲强度为834 MPa;PI/EP复合材料纵向拉伸破坏模式为散丝爆炸破坏,同时由于高强高模PI纤维还具有优异的韧性和较高的断裂伸长率,PI/EP复合材料从受力到失效断裂的时间较长;PI/EP复合材料纵向压缩破坏模式为45°折曲带破坏。高强高模PI/EP复合材料为航空航天先进复合材料增加了一个全新的选材方案。