二维C/SiC-ZrC复合材料的低速冲击损伤研究

通过二维C/SiC-ZrC复合材料的低速冲击、冲击后拉伸试验以及CT扫描方法,研究了不同冲击能量对材料冲击损伤特征及拉伸性能的影响。结果表明C/SiC-ZrC复合材料具有较高的冲击损伤容限,在15～24 J能量范围内的损伤状态主要表现为穿透损伤。随着冲击能量的增大,材料名义拉伸强度的下降趋于平缓,最大降幅约为25%。冲击主要造成冲击区域附近的复合材料发生分层和纤维断裂损伤,冲击区域以外未发生明显的损伤和破坏。     

2D C/SiC复合材料低速冲击损伤研究

通过2D C/SiC复合材料的低速冲击试验和冲击后压缩试验,以及超声C扫描和红外热波两种无损检测方法,研究了冲击能量与冲击损伤的关系及其对压缩性能的影响.结果表明:C/SiC具有较好的损伤容限能力,冲击能量低于1.5J时几乎无目视损伤,高于9J时有被击穿的趋势.冲击后的名义压缩强度和压缩模量随着冲击能量的增加呈下降趋势,最多分别下降了44.7%和16.9%.     

二维C/SiC复合材料准静态和动态拉伸力学性能

采用分离式Hopkinson拉杆装置和电子万能试验机研究了二维C/SiC复合材料在4种应变率（0.001、0.010、90.000和350.000 s-1）下的拉伸力学性能,计算并验证了动态试验中的应力平衡状态;采用SEM分析了复合材料在不同应变率下的破坏断口和失效机制;建立了复合材料包含损伤和应变率相关的本构方程。结果表明:二维C/SiC复合材料的应力-应变曲线都表现出非线性的特征。随着应变率的增加,二维C/SiC复合材料的拉伸强度从204 MPa增加到270 MPa,增加了33%,这表明复合材料的拉伸强度具有较强的应变率敏感性。复合材料在准静态和动态加载下表现出不同的破坏模式是由材料内部界面行为的应变率效应造成的。      

2.5D-C/SiC复合材料的拉伸损伤研究

通过2.5D-C/SiC陶瓷基复合材料的面内拉伸试验, 研究了材料在拉伸载荷作用下的力学性能和损伤演化过程, 建立了2.5D-C/SiC复合材料的应力型和应变型拉伸损伤演化模型. 结果表明, 材料沿纵向和横向的拉伸应力－应变曲线相似, 损伤过程基本相同. 对应于拉伸应力应变曲线的三个特征切线模量, 面内拉伸的损伤演化过程可以分为三个阶段: 初始损伤阶段、损伤加速阶段和损伤减缓阶段. 由应力型损伤演化模型可以推导出三个损伤阶段的两个特征应力, 其中第一特征应力可以作为工程比例极限的参考值.     

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。     

二维编织C/SiC复合材料非线性损伤本构模型与应用

基于二维编织C/SiC复合材料的基本力学性能试验, 建立了该材料的宏观正交各向异性非线性损伤本构模型。模型中以可检测的应变作为变量, 采用形式简单的函数分别描述了单轴拉伸和剪切加载下的材料损伤演变下的应力-应变关系, 以及卸载状态的刚度变化规律。同时, 考虑了材料的单边效应以及拉压应力状态转换时的损伤钝化行为。将此本构模型编写成UMAT子程序并引入ABAQUS有限元软件, 可以完整描述该材料的加载非线性和卸载线性的应力-应变关系特征, 及其加卸载历史。通过对带孔板的拉伸模拟, 孔边应变分布与试验结果吻合较好, 验证了本构模型的有效性。     

二维编织C/SiC复合材料的热膨胀系数预测

根据二维编织 C/ SiC复合材料的细观结构及其制备工艺特点 , 提出了一种预测该材料面内热膨胀系数的单胞模型。模型充分考虑了编织结构复合材料中的纤维束弯曲和 CVI工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热膨胀系数的影响。利用单胞模型预测了二维编织 C/ SiC的结构参数、 纤维体积含量、 孔洞含量对复合材料热膨胀系数的影响规律 , 结果表明 : 随着纤维束扭结处产生间隙与纱线宽度比值的增大 , 热膨胀系数增大 ; 当其它参数不变时 , 随着纤维体积含量的增大 , 热膨胀系数反而下降; 随着孔洞含量的增加 , 热膨胀系数也出现了下降的趋势。利用 DIL402C热膨胀仪测试了二维编织 C/ SiC复合材料纵向热膨胀系数 , 试验结果与模型预测结果吻合较好。     

冲击损伤对C/C复合材料烧蚀性能的影响

利用Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)装置, 对炭化铪含量为2wt％的C/C复合材料进行了载荷峰值为137MPa的动态冲击损伤, 采用氧乙炔烧蚀装置研究了冲击损伤对C/C复合材料烧蚀性能的影响, 并结合扫描电镜讨论了冲击损伤对样品烧蚀机理的影响. 研究结果表明: 与未受冲击的C/C复合材料相比, 冲击损伤后, 复合材料的质量烧蚀率增加了40％, 线烧蚀率增加了118％.     

SiC/SiC复合材料层板低速冲击及其剩余强度试验研究

高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题,低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象,在不同能量下开展了低速冲击试验,分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态,通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌,结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线,分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验,研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明,在低速冲击载荷的作用下,试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤,试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能,虽然试验件损伤勉强目视可见,但其剩余压缩强度为无损件81%,剩余拉伸强度仅为无损件的68%。     

冲击载荷损伤后C／C复合材料烧蚀性能的研究

通过液态浸渍结合热梯度化学气相渗透(TCVI)制备了碳化铪含量为2.5%(质量分数)的C/C (HfC-C/C)复合材料.利用split Hopkinson pressure bar (SHPB)装置,对HfC-C/C复合材料进行了不同载荷冲击损伤,采用氧乙炔火焰烧蚀法测定了复合材料的烧蚀性能,结合扫描电镜分析了冲击损伤对HfC-C/C复合材料烧蚀性能的影响.结果表明:动态冲击损伤对HfC-C/C复合材料线烧蚀率的影响不显著,而其质量烧蚀率随冲击载荷的增加而增加,且冲击载荷对HfC-C/C复合材料质量烧蚀率的影响存在有一个阈值,超过此值,材料的质量烧蚀率显著增加.     

Development of damage in a 2D woven C/SiC composite under mechanical loading: II. Ultrasonic characterization

The non-linear mechanical behavior of a CVI-processed 2D woven C/SiC composite has been investigated by means of an ultrasonic method. This method provided the complete variation of the stiffness tensor of the material required to fully identify anisotropic damage, which was otherwise inaccessible by classical strain measurements. The various damage mechanisms induced by mechanical loading and their influence on the tensile behavior were determined and analyzed by comparing the variations of the components of the stiffness tensor obtained from the ultrasonic measurements with the prediction of microcracks by a system of slit cracks derived from a micromechanical model. Two damage modes were thus emphasized: transverse microcracking characterized by a deterministic accumulation and a random development of longitudinal microcracking, i.e. fiber/matrix and bundle/matrix debonding. Comparisons with the results obtained in Part I from both classical strain measurements and microstructural observations are also made and discussed, whenever possible.     

石墨烯及碳化硅增强铝基复合材料的冲击力学行为

采用微机控制电子万能实验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)对石墨烯增强的铝基复合材料和碳化硅增强的铝基复合材料进行准静态压缩实验和动态冲击实验,研究石墨烯增强铝基复合材料在不同应变率下的冲击力学性能,采用SEM扫描电镜研究石墨烯增强的铝基复合材料和碳化硅增强的铝基复合材料的形貌特征。结果表明:在各个应变率载荷下,添加石墨烯和添加碳化硅都增强了铝合金的屈服强度,其中,添加石墨烯对铝合金的屈服强度提升更加明显,但不影响材料的应变硬化率;相较于在材料中添加碳化硅,添加石墨烯弱化了材料的应变率效应,在高应变率条件下,添加石墨烯降低了材料的强度极限;选取部分实验数据,拟合确定了添加石墨烯和添加碳化硅两种复合材料的J-C和Z-A本构方程的参数,并比较了两种本构模型的预测能力,对于本工作所研究的复合材料,J-C模型的预测能力更好。     

Comparison of oxidation behaviors of 3D C/PyC/SiC and SiC/PyC/SiC composites in an O2-Ar atmosphere

Oxidation behaviors of three-dimensional woven C/PyC/SiC and SiC/PyC/SiC prepared by CVI processing were investigated in an O₂-Ar atmosphere at 600 °C, 900 °C and 1200 °C, respectively, by using thermogravimetric analysis. After machining, both composites should be protected by CVD SiC coating, which was demonstrated effectively in improving the oxidation resistance of both composites. The oxidation behavior of SiC/PyC/SiC was different from that of C/PyC/SiC. The oxidation kinetics of C/PyC/SiC was controlled by the rate of the reaction between carbon and oxygen at 600 °C and by the oxygen diffusion through the coating microcracks at 900 °C. The oxidation kinetics of SiC/PyC/SiC at both 600 °C and 900 °C were assumed to be controlled by the oxygen diffusion through channels of coating and matrix defects and looped pipelines instead of PyC interphase. At 1200 °C, the oxidation was controlled by oxygen diffusion through the SiO₂ scale, which took place mainly on the surfaces of both composites.     

超高速撞击作用下C/SiC薄板抗冲击特性研究

针对空天飞行器热防护系统抗冲击性能,基于已得实验结果对冲击载荷作用的平纹编织C/SiC复合材料薄板碎片云团结构定性建模及分析,获得C/Si C碎片云中特殊轴向柱状高能区。基于Autodyn正交各向异性材料模型推导材料参数并与实验对比,验证模型及参数的合理性。据C/SiC碎片云团特点选取弹丸剩余速度、碎片云轴向平均速度及分散角作为主要特征参数,并以球形Al弹丸薄板撞击模型为对象,对超高速撞击多种工况C/SiC面板的抗冲击性能进行规律分析及评估。     

2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型

基于连续损伤力学建立了一种包含拉伸与剪切损伤变量的2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型。分别开展了拉伸和剪切试验,获得应力-应变曲线,并通过拟合试验曲线获得各损伤变量的演化参数。采用子程序技术将本构模型嵌入商用有限元软件ANSYS,应用有限元法计算了材料的应力-应变曲线。考虑了拉剪损伤耦合效应,计算了偏轴拉伸情况下的应力-应变曲线。结果表明:沿经纱拉伸、沿纬纱拉伸以及面内剪切的应力-应变曲线与试验结果吻合,最大偏差依次为4.30%、3.09%及3.73%;偏轴拉伸计算与试验应力-应变曲线也吻合较好。      

Fatigue damage in a unidirectional SiC/Al composite due to push-pull and zero-pull loading

Axial fatigue behaviour due to fully reversible and zero-tension cyclic loads on specimens cut from a 5 mm thick panel of a unidirectional SiC/A1 composite has been investigated at room temperature. The panel contained 40 vol.% SiC fibres (SCS-2), sandwiched between 32 layers of A1 6061 foils, which were bonded together by hot-pressing. The loading was always parallel to the fibres. Steady hysteresis loops were observed in the stress-strain plot after about 3 cycles of loading. A plot of S/N curves showed that at load ratio R = 0 the fatigue strength of the composite was about 3 times higher than that of the monolithic matrix metal. At R = −1, however, the fatigue strength of the composite was even lower than that of the matrix metal. At both R = 0 and R = −1, the composite suffered large modulus losses (about 15%) at cycles well before the final failure. At R = 0 the modulus loss involved fibre breakage and matrix cracks, which were transverse as well as parallel to the loading direction, while at R = −1 it involved delamination cracks and barrelling of outer layers. Fractography after the final failure at R = 0 showed secondary cracks and fibre pull-out.     

单向碳纤维增强碳化硅基复合材料的拉伸试验

采用手工精细加工板状双哑呤拉伸试件,并配以恰当的加强块,避免了因试件较短和加工等引起的夹持段压环,从夹持段拔出及试件在试验段根部破坏等问题,成功地实施了短试件（热压法制备的单向碳纤维增强碳化硅基体复合材料）的拉伸试验,微实时观察表明,由于界面强度非常弱,试件中首先出现因界面破坏而形成的沿纤维方向的裂纹,随着载荷的增加,裂纹数量迅速增多且裂纹均平行于纤维方向,最终,这些平行裂纹横向连接使试件被拉断,因此,对于界面强度过弱的单向纤维增强陶瓷基复合材料不可能产生横向的饱和裂纹。     

2.5维C/SiC复合材料弹性参数不确定性识别方法研究

提出了一种2.5维C/SiC编织复合材料弹性参数不确定性识别方法。采用刚度平均法获得复合材料等效弹性参数理论预测值。选取对结构动态特性影响较大的3个弹性参数E11,E22和G12作为待识别参数;在确定性识别结果基础上,采用拉丁超立方体采样构造随机试验样本,开展不确定性参数识别方法仿真研究。仿真结果表明,针对考虑弹性参数不确定性的2.5维C/SiC复合材料,采用所提出的方法能够准确识别材料弹性参数的均值与标准差,建立反映实际结构动态特性统计意义的精确动力学模型。