针刺C/SiC复合材料应力-应变模型及试验验证

研究了室温下针刺C/SiC复合材料的静拉伸应力-应变行为。基于显微CT技术重构的微观型貌,选取恰当的代表体积单元,建立了针刺C/SiC复合材料应力-应变性能预测的单胞模型。基于可实现任意加卸载下单向纤维增强C/SiC复合材料应力-应变计算的界面摩擦模型,由材料的细观组分性能计算出单向纤维束层的应力-应变响应,然后将单向纤维束层的应力-应变响应代入到单胞模型中,通过有限元法计算得到针刺C/SiC复合材料的整体应力-应变响应。进行了针刺C/SiC复合材料静拉伸试验,测得材料的应力-应变响应,计算结果与试验吻合较好。      

针刺C/C-SiC复合材料剪切非线性本构关系

为研究针刺C/C-SiC复合材料的剪切损伤行为,首先,进行了面内剪切加卸载实验,并利用SEM对复合材料的剪切破坏形貌进行了观测;然后,建立了一种塑性与损伤相结合的非线性本构模型描述复合材料的非线性力学行为,以幂函数描述等效塑性应变与等效应力的关系;最后,基于剪切强度的Weibull分布规律提出了一种指数型损伤变量表征剪切刚度的退化,并通过实验数据拟合得到模型中的参数。结果表明:复合材料在卸载后存在明显的残余应变,卸载模量随载荷的增加不断降低,表现出明显的剪切非线性特征;大量无纬布纤维束和纤维单丝拔出,且易在针刺部位发生破坏;由于针刺部位等缺陷的不规律分布,剪切强度存在一定的分散性,符合指数型Weibull统计分布规律;复合材料的剪切非线性主要由基体开裂和纤维/基体界面脱粘等内部损伤引起,从宏观上可以解释为塑性变形和刚度性能折减。所得结论表明本构模型能够很好地表征C/C-SiC复合材料的面内剪切非线性行为。      

三维针刺C/C复合材料面内压缩失效行为研究

通过研究三维针刺C/C复合材料面内压缩失效行为,发现应力-应变行为包括起始段的非线性滞弹性、线弹性、非线性损伤及应力下降失效4个阶段,循环加载-卸载实验表明线弹性阶段应力-应变行为的重复性好,而非线性损伤阶段则与加载历程有关。面内压缩失效主要是端部分层脱粘和分层劈裂,受纤维/基体界面结合强度影响较大。     

二维编织陶瓷基复合材料偏轴拉伸力学性能预测

基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型,通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度,然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算,并引入Tsai-Wu失效准则,考虑不同失效模式的损伤,建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型,模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型,阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型的有效性,为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。     

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。      

基于声发射信号的三维针刺C/SiC复合材料拉伸损伤演化研究

本研究对三维针刺C/SiC(3-dimension needled C/SiC, 3D-N C/SiC)复合材料进行室温单调拉伸和拉伸加载-卸载试验, 利用声发射技术对试样损伤演化进行动态监测。采用K-均值聚类分析方法对小波降噪后的声发射信号进行了损伤模式识别, 结合试样断口扫描电镜观测, 发现3D-N C/SiC复合材料在拉伸载荷作用下主要存在五类损伤模式: 基体开裂、界面脱粘、界面滑移、纤维断裂和纤维束断裂。通过快速傅里叶变换(FFT)方法对小波降噪后的信号进行频谱分析得出: 3D-N C/SiC复合材料在拉伸载荷作用下主要存在240、370和455 kHz三种频率的损伤信号, 分别对应于界面损伤、基体损伤和纤维损伤。结合单调拉伸试验过程声发射信号能量柱分布和加卸载过程累积能量曲线特征, 分析了试样损伤演化机理。     

2D-C/ SiC 复合材料的宏观拉压特性和失效模式

通过拉伸、压缩实验, 从宏观上研究了平纹编织C/ SiC 复合材料在简单载荷作用下模量、残余应变及泊松比的变化。通过断口观察, 分析了材料在面内拉、压载荷作用下的损伤与失效模式。实验结果表明, 拉伸载荷作用下, 材料在低应力就开始损伤。0°纤维束表面基体开裂和层间裂纹是主要损伤形式。损伤后, 随着应力增加, 拉伸卸载模量、泊松比线性减小, 残余应变增加; 压缩应力-应变基本呈直线关系, 模量、泊松比基本不变。拉伸破坏表现为韧性断裂, 断裂机理为分层后0°纤维束的断裂、携带90°纤维束拔出; 压缩破坏形成一个与加载方向成13°的断裂平面, 破坏机理为层间裂纹、0°/ 90°纤维束之间裂纹和90°纤维束内裂纹的产生和迅速扩展、最后0°纤维束剪切断裂。      

含缺陷平纹机织复合材料拉伸力学行为数值模拟

基于平纹机织复合材料的细观结构单胞模型, 考虑其制备过程中产生的孔隙缺陷为随机分布的特征, 通过引入两参数Weibull分布函数, 应用Python语言实现了ABAQUS的二次开发, 并采用Linde等提出的失效准则, 建立了含孔隙缺陷平纹机织复合材料的渐进损伤模型, 利用有限元数值方法模拟了其拉伸应力-应变行为, 针对该模型, 讨论了孔隙缺陷对材料拉伸应力-应变行为的影响, 并阐述了该平纹机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷作用下其纤维束的损伤及演化过程。结果表明, 该模型给出的数值模拟结果与实验数据吻合较好, 证明了模型的有效性, 为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供了一种有效方法。      

不同预制体结构炭/炭复合材料烧蚀性能

采用电弧驻点烧蚀实验方法, 测试了分别以细编穿刺毡和针刺无纬布整体毡为增强体的2种C/C复合材料的烧蚀率, 并用电子扫描显微镜观察了烧蚀表面形貌。结果表明: C/C复合材料的烧蚀由化学烧蚀和机械剥蚀共同控制, 以机械剥蚀为主; 细编穿刺毡结构C/C复合材料由于Z向纤维束的存在, 加速了材料烧蚀表面粗糙度的变化, 烧蚀率略高于针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料; 针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料中无纬布层与烧蚀气流垂直, 具有良好的烧蚀性能。      

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。     

高性能针刺碳/碳复合材料的制备与性能

为获得高性能针刺碳/碳复合材料, 拓展其应用领域, 通过优化针刺工艺参数, 设计并研制了不同结构参数的针刺预制体。采用沥青高压致密化工艺将针刺预制体制备成一系列针刺碳/碳复合材料, 研究了针刺碳/碳复合材料的微观结构、力学性能和热物理性能。结果表明, 针刺预制体的针刺深度、针刺密度以及短/长纤维配比等对碳/碳复合材料的力学性能和热物理性能影响显著。当针刺深度为12 mm、针刺密度为22针/cm ²、短/长纤维比例为1.0 : 4.8时, 针刺碳/碳复合材料表现出优良的综合性能, 拉伸、压缩、弯曲、面内剪切和层间剪切强度分别达到207、228、285、54和28 MPa。     

不同针刺工艺的针刺复合材料面内拉伸强度分析

6种针刺工艺不同的碳纤维增强树脂基复合材料,其面内拉伸强度随着针刺密度和针刺深度的增大而降低,针刺处纤维的断裂使材料内的缺陷失稳扩展和面内纤维断裂,进而使材料整体拉伸失效。根据面内拉伸实验结果和纤维累计损伤理论并引入纤维体积折减系数,建立了分析针刺复合材料面内拉伸强度的理论模型。这个模型的预测结果与实验结果相符,并发现断裂纤维簇的个数与体积折减系数相关。用该模型可预报不同针刺工艺复合材料的面内拉伸强度,并指导设计针刺复合材料的预制体。     

针刺石英机织布损伤表征及针刺毡纤维分布取向的变化

为探究针刺工艺中针刺密度的持续变化对3D针刺石英复合材料预制体中的机织石英布的损伤程度影响及对石英毡纤维分布取向的影响,采用体式显微镜对不同针刺密度下的机织物形貌的变化进行图像采集,并提出一种基于MATLAB软件可表征不同针刺密度对石英机织物损伤程度的方法.采用岛津AGS-250KNE拉伸试验机对不同针刺密度下的机织物...     

炭纤维物理性能对C/C复合材料氧化性能的影响

用相同牌号的T700炭布长纤维和炭毡短纤维交替叠层作为坯体，通过化学气相沉积（CVD）法生产二维C／C复合材料，尽管两种纤维具有很相近的结构和石墨化度，并经历相同的热处理过程，但同一C／C试样在随后的变温氧化和等温氧化过程中存在两个主要的氧化方向，一个是热解炭基体优先于炭布氧化，另一个是炭毡纤维优先于炭基体氧化。研究表明，两种纤维的物理性能（如表面积、孔径分布和总孔体积）有显著差别，即两种纤维的微孔结构和孔径分布有很大差别，从3－10nm，炭毡纤维的分布峰值比炭布纤维大得多，炭毡纤维的累积吸附孔体积的增长也比炭布纤维快，而且炭毡纤维的最大孔径比炭布纤维的大得多。正是这些因素使得炭布纤维比炭毡纤维具有更强的抗氧化性，导致了其抗氧化和氧化活性的明显不同。因此，即使炭布纤维和炭毡纤维具有相同的结构，并经过同样的热处理过程，在被用作坯体生产C／C复合材料前，应仔细考虑其物理性能。     

炭布叠层针刺预制体性能分析

通过X-Y向拉伸强度、Z向剥离强力、NOL环整体拉伸强度表征预制体性能,研究了炭布叠层针刺预制体的结构特点.结果表明:X-Y向拉伸强度反映了针刺对连续纤维的损伤程度,其随针刺密度升高而降低.网胎面密度对Z向预制体剥离强力的影响规律性不明显,3 K炭布针刺预制体剥离强力高于6K和12K炭布针刺预制体,斜纹炭布针刺预制体剥离强力高于缎纹炭布预制体.NOL整体拉伸环破坏有完全断裂、褶皱式不完全断裂、层间剥离三种模式;3 K缎纹炭布针刺预制体NOL环拉伸强度最低,只有3 MPa,呈现整体拉伸完全断裂破坏模式;12 K缎纹炭布针刺预制体呈现层间破坏模式;6 K缎纹炭布针刺预制体的破坏方式为褶皱式不完全断裂模式,整体力学性能较好.相同工艺预制体环向拉伸强度远大于X-Y向拉伸强度.     

碳/碳化硅刹车材料的显微结构分析

采用反应熔体渗透法(reactive melt infiltration, RMI)制备了碳/碳化硅(C/SiC)刹车材料, 利用X射线衍射分析了材料组成, 并通过光学、扫描电子和透射电子显微镜从不同尺度观察了刹车材料的微观结构. 结果发现, 反应生成的SiC是面心立方的β-SiC, 主要分布在胎网层、针刺纤维附近以及无纬布层的纤维束间; 残余的单质Si分布在SiC的颗粒间. SiC在SiC-Si界面上, 以大约5～15μm的粗大颗粒存在; 而在SiC-C界面上, 以粒径100nm左右的细小颗粒存在.     

C/C复合材料拉伸强度与针刺成型参数相关性研究

采用Design-expert软件设计预制体不同针刺成型参数组合试验, 研究预制体针刺成型参数对针刺碳/碳(C/C)复合材料拉伸强度的影响, 并构建了响应曲面数学模型, 实现对针刺C/C复合材料拉伸强度的优化与预测, 其模型显著性P=0.0206, 各试验实测值与预测值相对误差≤10.82%, 模型具有较高的拟合度。响应曲面回归分析表明: 针刺深度对拉伸强度有极显著影响, 针刺密度对拉伸强度有显著影响, 在本研究的针刺成型参数取值范围内, 拉伸强度的预测区间为42.31~91.87 MPa。通过模型优化出的针刺成型参数组合为: 针刺密度11 pin/cm²、针刺深度 11 mm、网胎面密度50 g/m², 相应拉伸强度预测值为88.62 MPa, 验证值为90.71 MPa, 相对误差2.36%。     

坯体结构对炭/炭复合材料增密速率的影响

通过改变无纬布炭纤维类型、单元厚度，制备了不同的坯体，进行CVD增密，以研究坯体结构对增密速度的影响。结果表明：无纬布纤维为进口炭纤维B，C的针刺毡坯体CVD增密速率较快，产品最终密度较高；减小单元厚度(即增加每厘米所铺无纬布和网胎的数量)。相当于增加整个坯体的针刺密度，有利于提高CVD增密速度；压差式CVD增密的产品存在径向密度梯度。有必要进一步改进坯体结构，以弥补增密工艺的不足。     

炭纤维增强明胶复合材料的性能研究

制备了不同形式炭纤维增强的明胶复合材料,对不同复合材料的力学性能进行了测量与分析,并对复合材料的拉伸断口进行了观察,研究表明,长炭纤维增强明胶（CL/Gel)复合材料具有最高的拉伸强度,剪切强度和模量,而炭纤维毡增强明胶（CF/Gel)复合材料因内部存在较多的孔隙使其力学性能最差,因此,炭纤维毡不能用于增强明胶材料,由于纺织炭纤维布增强明胶（Cw/Gel)复合材料的纤维维束内亦有孔隙,炭纤维布的增强效果不及长炭纤维。