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。     

单向C／C复合材料的界面层对其力学性能的影响

利用０．８Ｔ强磁场处理单向Ｃ／Ｃ复合材料的中间相沥青基体后发现其界面层呈ＴＯＧ弱界面结构，弯曲强度稍有下降，其韧性却有较大幅度的提高，并进一步分析研究了造成的原因。     

考虑夹杂间相互影响的弱界面颗粒复合材料等效模量预测的一般细观力学方法

基于Ju和Chen提出的颗粒增强复合材料的一般细观力学方法,采用Qu给出的一阶近似修正的Eshelby张量,本文建立了考虑夹杂之间相互影响的含任意分布弱界面颗粒增强多相复合材料等效模量预测的一般细观力学方法,通过体积均匀化方法得到了一组细观力学本构方程。分别推导了忽略夹杂之间相互影响的弱界面多相复合材料宏观模量表达式以及考虑夹杂之间相互影响的弱界面两相复合材料的宏观模量表达式。此外,还给出了几种特殊复合材料体系在考虑界面弱化下的宏观等效性能参数的解析表达式,在界面粘结完好的假设下,给出的表达式均可以退化成经典的细观力学预测结果。在考虑夹杂之间相互影响的情况下,本文预测结果与实验数据吻合很好,验证了模型的有效性。     

考虑界面层和孔隙的SiCf/SiCm复合材料热膨胀性能研究

以三维四向编织SiCf/SiCm复合材料为对象,建立基于周期性边界条件、包含界面层和孔隙的复合材料单胞有限元模型,模型细观结构与工业CT扫描结果一致。计算了材料各个方向的热膨胀系数,发现界面层对纤维束热膨胀系数的影响不可忽略,基体孔隙位置的随机分布对热膨胀系数计算结果没有影响,孔隙率的增加会引起系数的显著减小,对胞元的热应力分析表明纤维束上的热应力水平大于基体。通过自由膨胀加温试验对材料纵向热膨胀系数进行了测定,在室温至1100℃区间内热膨胀性能稳定,试验结果与预测值符合较好。可为含界面层和基体孔隙的三维编织复合材料及其他多孔复合材料热膨胀性能研究提供理论基础。     

界面对颗粒增强金属基复合材料强化性能的影响

为提高颗粒增强金属基复合材料的力学性能,采用基于微观组织的胞元模型建模方法,并利用有限元软件ABAQUS着重分析了界面层厚度以及界面层强度对复合材料性能的影响,通过对复合材料中各组成部分的应力、应变云图的获取,形象地说明了各部分的变形规律.研究结果表明,在弱界面层下,随着界面层厚度的增加,复合材料的强化效果并不显著,而在强界面层下,随着界面层厚度的增加,强化效果非常明显;就界面层强度来说,界面越强,所表现出的强化效果就越明显,但当界面层强度比基体大得多时,随着界面层强度的增加,虽然复合材料的强化呈递增趋势,但是递增的幅度已逐渐降低.     

热处理对含CSiCTaCC界面C/C复合材料力学性能的影响

以准三维针刺炭纤维毡为预制体, 采用化学气相渗透工艺在预制体中炭纤维/基体炭之间制备C-SiC-TaC-C复合界面, 利用树脂浸渍-炭化工艺对材料进一步增密, 获得含C-SiC-TaC-C界面的C/C复合材料。研究了1400～2500℃不同温度热处理前后复合材料的微观结构和力学性能。结果表明: 热处理前, SiC-TaC界面为管状结构, 复合材料的抗弯强度为241.6 MPa, 以脆性断裂为主; 经1400～1800℃热处理后, TaC界面破坏呈颗粒状, 复合材料的平均抗弯强度下降到238.9～226.1 MPa, 其断裂方式不变, 但断裂位移由0.7 mm增至1.0 mm; 经2000～2500℃热处理后, SiC、 TaC界面均受到破坏, 复合材料平均抗弯强度急剧下降至158.7～131.8 MPa, 断裂方式由脆性断裂转变为假塑性断裂。      

界面相容剂对PE-HD/木粉复合材料力学性能的影响

用不同的界面相容剂对高密度聚乙烯(PE-HD)/木粉复合材料进行界面处理,研究了界面相容剂的含量、种类对复合体系力学性能的影响.结果表明,界面相容剂的加入使复合体系的力学性能有不同程度的改善,其中MAPE的加入,对体系的拉伸、弯曲强度提高最大,在MAPE含量为10%时,复合体系的力学性能达到最大值;经EPDM-MA处理的复合材料,其冲击韧性有明显提高;EVA-MA的加入,使复合材料的性能有所提高;SBS对体系界面粘接力的影响不明显;但MAPE和弹性体SBS复配处理的复合体系,其冲击强度的提高尤为显著,这可能是由于MAPE和SBS在复合体系中发生了协效作用,形成具有柔韧性的中间相所致.     

SiC-Ni 双涂层的界面反应对 C/Al 复合材料力学性能的影响

研究了不同工艺条件下具有 SiC-Ni 双涂层的碳纤维增强 Al 基复合材料的界面反应、界面结构及其对复合材料力学性能的影响,分析了不同界面条件下复合材料的典型破坏过程。实验表明:以 SiC 涂层作为界面反应阻挡层,可有效地阻止纤维与基体的反应,保证 C/Al 复合材料在界面反应很严重的情况下仍能保持较高的强度水平。初步提出了这种复合材料保持较高强度的原因和断裂机制。     

界面强度对柔性环氧树脂/粘土纳米复合材料热/力学性能的影响

先合成反应型BBDMP30-clay有机化粘土和非反应型CPDMP30-clay有机化粘土,然后以其为纳米增强体分别制备了两种界面强度不同的环氧树脂/粘土纳米复合材料。用透射电子显微镜(TEM)、拉伸实验表征这两种环氧树脂/粘土纳米复合材料并进行动态力学分析(DMA),研究了界面强度对其力学性能的影响。结果表明:这两种纳米复合材料具有几乎相同的无规剥离结构,反应型BBDMP30-clay比非反应型CPDMP30-clay能更有效地提高材料的热/机械性能。粘土质量分数为3.5%时BBDMP30-clay可使纳米复合材料的拉伸强度提高250%,而CPDMP30-clay只能使材料的拉伸强度提高190%。BBDMP30-clay使纳米复合材料的玻璃化转变温度(T_g)提高了6.5℃,而CPDMP30-clay只能使材料的T_g提高2.5℃。这些不同都可归因于这两种纳米复合材料界面强度的差异。     

界面对双向纤维增强复合材料力学性能的影响

基于均匀化理论与有限元方法,针对双向连续纤维增强复合材料(CBFRC),建立了微观代表体积单元(RVE)模型,并预测了界面对CBFRC宏观等效力学性能的影响。在建立的RVE模型中,采用表面内聚力本构关系描述纤维/基体之间的界面。研究结果表明:不同界面刚度下,CBFRC中的基体发生不同形式的初始损伤。与界面断裂能相比,界面刚度和界面强度对CBFRC面外抗拉强度的影响较大,而对CBFRC面内抗拉强度的影响较小,且界面的存在会降低CBFRC整体的抗拉强度。随着纤维体积分数的增加,CBFRC面内的抗拉强度也随之急剧增加,但CBFRC的面外抗拉强度反而有减小的趋势。本文中所提出的方法能够简单有效地对实际复杂的三维纤维增强复合材料进行优化设计。     

单层石墨炔薄膜力学性能的分子动力学模拟

采用AIREBO势,通过分子动力学(MD)模拟,对锯齿型(Zigzag)和扶手型(Armchair)单层石墨炔薄膜的力学性能进行了研究。模拟结果表明石墨炔的平衡距离为3.42,分子互作用势能为-153.5mJ/m3。用能量法和应力-应变曲线法分别计算杨氏模量和剪切模量。用能量法求解时,锯齿型石墨炔薄膜杨氏模量和剪切模量分别为531.2GPa和137.3GP,扶手型石墨炔薄膜分别为504.7GPa和126.5GPa;用应力-应变曲线法求解时,锯齿型石墨炔薄膜的杨氏模量和剪切模量分别为478.6GPa和128.3GPa,扶手型石墨炔薄膜分别为470.7GPa和120.5GPa。最后我们研究了温度对力学性能的影响。     

基于用户行为的产品界面姿态选择与设计研究

目的研究用户行为对产品界面姿态选择与设计的影响因素。方法基于Alan Cooper关于产品界面姿态划分理论,通过对比多个界面姿态,以手机APP设计为案例开展相关研究。结论交互设计中的多种产品界面姿态本质都是从"暂时姿态"和"独占姿态"发展出来的,两者的融合是交互设计的发展趋势之一。     

基于细化单胞模型的复合材料层合板强度预报方法

通用单胞模型常被应用于复合材料细观力学分析。但原始的通用单胞模型存在求解量大、计算效率低的问题。本文中对其改进, 建立了以子胞界面细观应力为未知量的细化单胞模型。该模型可以充分考虑纤维、基体和界面相等细观组分, 并实现单向板的宏-细观多尺度力学分析。通过将组分材料失效判据引入到模型中, 再与经典层合理论相结合, 提出了一种基于细化单胞模型的复合材料层合板强度预报方法, 并给出了基于试验数据的强度谱定量评测方法。通过与世界失效分析习题的失效理论和试验数据进行对比, 证明本文的预报方法具有很高的计算精度和广泛的普适性。     

泡沫镍力学性能的实验研究

本研究在室温下控制位移,先以5mm/min的位移速度对泡沫镍进行了单轴拉伸、压缩实验,然后在不同应变率情况下进行了一系列单轴拉伸实验,得到了相应的应力-应变曲线,讨论了材料的应变率相关性.结果表明在普通拉伸试验范围内(准静态),改变变形速度会影响应力-应变曲线,屈服应力、强度极限随变形速度增大而下降;单轴拉伸时,应力应变关系明显分为线弹性变形、塑性变形、线性硬化和破坏4个阶段;单轴压缩时,具备其他泡沫材料受压典型应力-应变曲线的3阶段特征,即明显的弹性变形段、屈服平台段和紧实段.     

不同层次界面对C/C复合材料断裂行为的影响

采用快速化学液相气化渗透法制备了C/C复合材料;利用扫描电子显微镜观察了材料的断口形貌特征;研究了不同层次界面状态对C/C复合材料力学行为及断裂模式的影响. 研究表明:束内纤维与基体间结合要适度,既不能过强也不能过弱,保证材料具有高强度同时又具有一定塑韧性;当碳布层间或束间的基体热解碳与纤维柬表面之间残余孔隙量较多或者结合较弱时,则裂纹沿碳布层表面的纤维与基体热解碳之间扩展而分层;热解碳碳层面排列的越紧密,层面间的结合强度越高,则倾向于在基体热解碳内形成齐茬形断面;若碳层面之间存在过多间隙或结合较弱,则倾向于沿碳层面剥离而分层.     

孔隙形状及孔隙率对多孔材料弹性性能的影响

利用通用单胞法(GMC)计算了不同孔隙形状及孔隙率对多孔材料等效弹性参数的影响,计算中分别采用二维方形、圆形孔隙模型和三维立方体、球形孔隙模型模拟多孔材料。不同孔隙率下等效弹性参数的计算结果表明: 不同孔隙形状下,多孔材料等效弹性参数随孔隙率增大的退化程度不同;通过对比二维简化模型与三维模型的差异,发现二维简化模型对多孔材料等效弹性参数的估算值偏低。进一步将GMC计算结果和已有文献实验结果进行比较,发现两者具有较高的吻合度。最后将GMC模型与有限元、经验模型进行对比,得出GMC模型的局限性。综合计算结果,GMC具有一定的计算精度,可应用于工程实际分析中。     

液相对流对固液界面稳定性的影响

以模型合金丁二腈－乙醇的强制性晶体生长为基础，利用自行研制的液相对流驱动装置，详细考查了液相自然对流及强迫对流作用下，模型合金平界面失稳的动态生长过程，证实了液相的流动加快了液相温度与浓度分布的均匀化，从而增强了液／固界面的稳定性。并且随流动速度的增加，界面稳定性提高。     

钢/锌层状复合材料的力学性能与耗能行为

对复合铸造法制成的钢/锌层状复合材料在不同条件下的单向拉伸和低周疲劳实验进行了研究.结果表明:锌的加入使钢/锌复合材料的塑性得到提高,同时其强度与钢相比有所降低.在单向拉伸条件下,拉伸速度对钢/锌复合材料试样的应力-应变曲线影响不大.在±0.5%,±1.0%,±1.5%应变范围内,所对应的拉压应力随着循环次数的增多而增大,表明材料出现循环硬化行为,并且循环应变的提高使材料的循环硬化行为逐渐明显,进一步循环使拉压应力趋于稳定.     

凝固界面前沿颗粒行为的研究进展

对凝固界面前沿颗粒被推斥或被吞没行为的热力学、动力学判据进行了综合评述,探讨了影响颗粒行为的动力学参数,认为从动力学角度而言,颗粒行为主要取决于颗柱所受相互对立的两种类型力的平衡关系,进而介绍了利用外场力控制凝固界面颗粒行为设想的可行性。     

Al18B4O33W/Mg复合材料制备方法及其对材料性能及界面的影响

综述了硼酸铝晶须增强镁基复合材料的研究概况,着重介绍了该复合材料的制备方法、性能、界面行为以及制备工艺对其影响,并对硼酸铝晶须增强镁基复合材料当前研究当中存在的一些问题以及某些需要深入研究的方向进行了探讨.