粘土质泡沫陶瓷力学性能实验研究

本文以泡沫陶瓷的静、动态力学性能为研究目的,针对其吸波耗能作用明显、抗爆能力强、工程应用潜力较大的特点,对一种新的粘土质闭孔泡沫陶瓷开展了准静态一维应力压缩实验、一维应变压缩实验以及动态一维应力压缩实验。得到该材料在三种加载条件下的应力-应变曲线,讨论了不同加载条件下的材料的强度特性和变形破坏特征。结果表明：（1）泡沫陶瓷属于应变率敏感材料;（2）虽然泡沫陶瓷的弹性极限不高,但峰值应力过后,强度并没有立即消失,而是维持在一定的应力水平上;（3）不论是动加载还是静加载,泡沫陶瓷的极限应变都很大,与孔穴压实相关的变形不可逆过程所导致的能量耗损十分可观,材料的吸波耗能效果突出。因此泡沫陶瓷可以作为防护工程中抗爆抗冲击构件的首选材料之一。     

双扭法及其在脆性材料力学性能评定中的应用

本文介绍了一种新的脆性材料力学性能评定方法一双扭法,提出修正的双扭试样应力强度因子表达式.由于双扭试样裂纹尖端应力强度子与试样裂纹长度无关,因而对材料有广泛的适应性.其研究范围较广,可测定裂纹亚临界扩展、断裂韧性、高温或应力腐蚀条件下的力学行为等.本文比较了双扭法在电工陶瓷、结构陶瓷、硅酸盐玻璃、有机玻璃以及滚珠轴承钢等脆性材料中实际应用的结果,讨论了适用于双扭法应力分析的试样裂纹长度及其标定等问题.     

考虑纤维束弯曲的缎纹织物面内压缩行为分析

基于弹性弯曲波理论分析了应力波在复合材料内部的传播规律,并针对四枚缎纹织物复合材料,进行了准静态和动态验证实验研究。研究表明,在面内压缩载荷作用下,纤维束交织程度越高,材料压缩强度越低,说明织物复合材料的细观结构对其面内力学性能有重要影响。发现准静态载荷作用下试样主要为整体剪切破坏,且剪切断裂发生于加载方向纤维束的弯曲起始段;而动态载荷作用下,试样的主要损伤模式为分层,在应力波的作用下分层损伤沿纤维束间的界面扩展,同时伴随有纤维束弯曲起始段的剪切断裂。     

泡沫铝衰减一维应力波特性研究

为了解泡沫铝衰减一维应力波特性,完善泡沫铝动力性能的理论体系。首先运用一维应力波理论及泡沫铝的力学特性,对应力波在泡沫铝中的传播规律及泡沫铝衰减应力波性能等问题进行了理论分析。然后基于SHPB(霍普金森压杆)技术,运用LS-DYNA对一维应力波在泡沫铝中的传播规律及泡沫铝衰减应力波特性进行了数值模拟研究。理论与数值模拟结果均表明:在应力波的传播路径上增加泡沫铝,应力波通过泡沫铝后,其应力幅值、波长、及应力幅值作用时间均发生明显的变化;在该条件下,增加5 mm厚的泡沫铝,一维应力波经过泡沫铝后,可以衰减掉未增加泡沫铝时应力幅值的39.9%,应力波由原来的矩形波变成三角形波,波长与持续时间也显著减小。同时,厚度对泡沫铝衰减应力波幅值具有较为明显的影响,相同能量的应力波通过泡沫铝材料厚度越厚,则应力波幅值衰减越明显;由此可知,泡沫铝用于防护冲击与爆炸荷载的缓冲吸能材料方面具有非常好的应用潜力。     

2D C/SiC复合材料氧化损伤的红外热波成像检测

采用红外热波成像技术分别对二维叠层C/SiC(2D C/SiC)复合材料的无SiC涂层盲孔试样和有SiC涂层的三点弯曲强度试样的氧化损伤进行无损检测。分析了材料氧化损伤与热辐射强度信号之间的关系, 以及热扩散系数与材料密度、抗弯强度之间的关系, 探索了采用红外热波成像检测和评价2D C/SiC氧化损伤的可行性。检测结果表明: 红外热波成像可以直观地反映2D C/SiC复合材料的氧化损伤。2D C/SiC氧化后的密度随热扩散系数的减小呈对数降低, 其抗弯强度随热扩散系数的减小呈抛物线降低。由此得出, 热扩散系数可以作为衡量陶瓷基复合材料的氧化损伤程度的依据, 红外热波成像是一种无损检测陶瓷基复合材料氧化损伤的有效方法。      

基于平台巴西劈裂试验下WC-Co硬质合金的动态响应与失效特性

为获取WC-Co硬质合金在动态拉伸加载下的力学性能和失效机制,设计了动态平台巴西劈裂试验。结果发现,WC-Co硬质合金具有典型的弹脆性特征,且断裂应变随着加载应变率的增加而略有增加。在一维应力波加载下,WC-Co硬质合金的动态抗拉强度随应变率的增加而增加,表明其应变率效应具有明显的正相关性,该效应的产生机制与典型陶瓷类材料是一致的,即由I型裂纹的亚临界扩展决定。对回收破碎试样进行微观形貌观察,发现平台圆盘中间位置处微观断裂模式主要为沿晶断裂,且在拉应力作用下形成韧窝断裂形貌;在靠近加载点位置区域,受多向应力作用,材料不仅存在韧窝断裂,在单个晶粒的局部劈裂表面还存在河流花样的解理断裂。宏观角度上,WC-Co硬质合金表现出明显的脆性特征,但微观角度却发现有局部塑性变形特征。     

炭/碳化硅复合材料在高温燃气环境中的铰链传动与摩擦行为

采用化学气相渗透法(CVI)制备了二维炭纤维增强碳化硅(C/SiC)全陶瓷基复合材料铰链试样. 高温燃气风洞实现了铰链试样在1800℃高温氧化气氛中传动与摩擦行为的试验模拟. 基于耦合应力等效模拟系统的开发, 采用摩擦力矩的变化表征材料的传动与摩擦行为. 对比分析了材料在室温与高温下以传动为背景的高载荷、低转速摩擦磨损行为及机理. C/SiC复合材料铰链试样在高温燃气环境中稳定的摩擦力矩和对滑动时间的不敏感, 验证了材料在高温下更稳定、更可靠的高温摩擦性能及热承载能力. 高温下表面生成的氧化反应膜通过应力的重新分布起到有效的保护与润滑作用.     

钢筋混凝土的热应力分析

基于热力学和材料力学,分析了在盐冻循环、钢筋锈蚀与弯曲荷载协同作用下钢筋混凝土梁试样内部的热应力和机械应力分布及其损伤演变的规律,导出了钢筋混凝土在循环变温过程中不同方向的热应力的一般性计算公式及分布状态以及四点弯曲荷载下钢筋和混凝土各自承受的应力状态.分析结果表明温度应力沿梁试样长度方向非均匀分布,而弯曲应力与钢筋和混凝土的弹性模量之比有关.研究表明混凝土在盐冻循环、钢筋锈蚀与弯曲荷载协同作用下的损伤失效机理是温度疲劳导致的混凝土损伤以及腐蚀液渗透导致钢筋锈蚀共同作用引起的.     

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.     

陶瓷材料最大载荷尺寸效应的损伤力学分析

本文用细观损伤力学的方法对理想的无裂纹陶瓷试样最大拉伸断裂应力的尺寸效应进行了分析 ,解释了材料的最大拉伸载荷随试件宽度的减小而增大的原因。理论分析结果与对Al2 O3 TiC陶瓷复合材料的实际测量结果相吻合     

活性粉末混凝土的层裂性能研究

采用60%的超细工业废渣取代水泥制备了一种生态型的活性粉末混凝土(RPC),采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的RPC材料进行了层裂性能实验.研究得出了入射波强度和冲击次数对层裂过程中应力波传播的影响规律.按一维弹性波理论编写了入射压缩波和反射拉伸波在试件自由端附近相互作用的程序,计算出试件自由端附近拉应力的分布,由试件的层裂位置得到材料的层裂强度.结果表明,随着入射波强度的增加和冲击次数的提高,材料的拉伸损伤逐渐增加,反射拉伸波的强度逐渐降低.RPC材料层裂强度和破坏形态具有明显的应变率效应,层裂强度和破坏程度随着应变率的提高而增加.通过纤维的增强作用,层裂裂缝的宽度和深度都降低了.     

测量复合材料残余应力场的新方法

本文建立了一维表面光栅衍射光强分布与表面应变之间的理论关系,再利用弹性理论,即可求出材料中的残余应力,从而开拓了残余应力的测试方法;在测试技术方面本方法是在试样表面制作一维表面光栅,在激光束的照射下,形成一列清晰的衍射光斑,当试样背面剥层释放残余应力而发生形变时,引起表面光栅栅距d的变化,反映为放大了一列衍射光斑间距的变化,用电荷耦合器件将光信息快速地转换为电信号,以及A/D转换和微机控制的光信息处理系统,可高精度(m)、快速(s)地测试表面应变和残余应力的定量结果,这是一种测试分析表面应变和残余应力及其之间关系的新方法.      

分离式霍普金森压杆试验中工程材料端面摩擦模型的确定

分离式霍普金森压杆(SHPB)是一种最常用于工程材料高应变率下动态压缩力学性能的技术。在SHPB试样与压杆的接触界面间不可避免地存在端面摩擦效应,这将导致SHPB试样内的应力状态可能偏离一维应力状态,而SHPB试样内的一维应力状态是决定SHPB试验结果准确性的基本假设之一。基于动摩擦试验结果,建立了端面动摩擦模型以描述端面动摩擦系数随SHPB试样与钢压杆接触界面间最大径向相对滑动速度的关系。结果发现本文提出的端面动摩擦模型可很好地拟合     

岩石爆破光弹性损伤模型实验研究

通过损伤材料的光弹性分析，提出了利用损伤光弹性材料进行岩石爆破机理研究的新方法。通过实验，摸索出损伤光弹性材料制作的可行措施，得到了可用来进行光弹性试验研究的光弹性材料，并对材料的力学性能以及爆炸作用下损伤对材料中应力波的影响及其相互作用进行了研究。     

冲击压缩载荷作用下杨木的力学性能研究

通过SHPB动态压缩实验,对杨木在高应变率条件下的力学特性进行了研究。基于一维应力波理论的分析表明,尽管杨木相比于金属压杆具有较低的波阻抗,其SHPB动态压缩实验中试样两端的应力均匀性条件仍可以得到满足,而不需要进行入射波整形。通过在透射杆上使用半导体应变片,可以获得具有较高信噪比的透射波信号。结合杨木的准静态实验结果发现,其应力-应变曲线具有多孔材料的典型特征。轴向试样具有Ⅱ型吸能结构特征,失效应力和平台应力都具有应变率敏感性,其平台应力的敏感性稍弱;弦向试样具有Ⅰ型吸能结构特征,没有明显的失效强度,其平台应力具有应变率敏感性,与通常的Ⅰ型吸能结构相比存在一定差异。通过对实验数据的拟合,发现应变率对杨木失效强度的影响符合对数率。     

岩石冲击损伤演化规律数值流形方法模拟

采用应力波衰减损伤模型对仅适用于模拟基于线性本构关系和恒定载荷作用下物体变形规律的数值 流形程序进行了扩展;利用扩展后的程序对岩石长杆在冲击载荷作用下的损伤演化规律进行了模拟,得出了不 同位置点处的损伤演化曲线和材料总体的损伤演化曲线。模拟结果表明,损伤的增加主要集中在冲击载荷作用 的初始阶段,随着时间的推移,应力波强度衰减,损伤将不再明显增加。     

碳化硅网眼多孔陶瓷的微波吸收特性

研究了碳化硅网眼陶瓷的微波吸收特性,发现它比实心材料的吸波性能几乎提高了两倍以上,这种吸波性能的改善主要来自网眼结构对电磁波产生的反射、散射及干涉作用引起的衰减.孔径大小、相对密度、试样厚度等因素对碳化硅网眼陶瓷的微波吸收性能的影响进行了讨论.本工作将为低成本、高性能结构型微波吸收材料的设计提供一条新途径.     

热障涂层应力产生机制及分布特征

热障涂层因优异的耐高温、耐磨损和耐腐蚀性等优点,被广泛应用在航空发动机等热端部件表面.热障涂层作为零件表面的服役载体,在外界热腐蚀、热梯度应力和机械载荷应力的作用下,易出现表面开裂及界面涂层剥落,这是限制热障涂层长时间使用的瓶颈问题.热障涂层由基体、粘接层、陶瓷层构成,涂层材料特性不同,界面处应力应变分布也不同,在外界载荷条件下,涂层与基体如何实现协同变形,应力如何传递等问题目前尚无明确解释.因此本文主要针对外加载荷作用下,热障涂层内部的应力传递及界面的应力分布问题进行研究.总结当前热障涂层的弹塑性应力模型和损伤应力模型,获得涂层界面应力分布规律,即弹塑性变形阶段,涂层界面应力于一端发生应力集中,并且基体与粘接层界面应力大约是陶瓷层与粘接层界面应力的四倍.随着载荷的增加,涂层表面损伤加剧,其剪滞模型的界面正应力更加符合四分之一椭圆函数,界面剪切应力呈反对称分布,应力分布特征为研究热障涂层在外载条件作用下对裂纹损伤演化行为的影响提供理论依据.     

地下工程喷射混凝土爆破振动安全标准研究

根据一维波动理论,通过分析应力波在不同介质中反射和透射的过程,研究了爆破振动应力波对巷道围岩和喷射混凝土的破坏作用.结果表明,在爆破振动应力波的作用下,对于坚硬岩体,支护结构的破坏主要由喷射混凝土的抗拉强度所决定;而对于软岩体,支护结构的破坏则主要由喷射混凝土与围岩的交界面的抗拉强度所决定.同时,通过研究爆破振动在围岩中的传播规律,得到了掘进爆破工程中喷射混凝土支护的安全距离,为地下掘进爆破工程施工以及喷射混凝土初期支护的设计提供了一定参考.     

SiC/BN层状陶瓷耐损伤性能

采用压痕法在SiC/BN层状陶瓷试样的表面引入不同尺寸的表面裂纹,利用三点弯曲测量含裂纹试样的极限断裂应力,研究了不同尺寸的表面裂纹对层状陶瓷断裂强度的影响;根据压痕载荷-强度实验结果,测定层状陶瓷的阻力曲线,并与单相SiC陶瓷对比。结果表明,层状陶瓷的压痕强度对压痕裂纹深度的变化不敏感,阻力曲线呈上升型;而单相SiC陶瓷的压痕强度随压痕裂纹深度的增加急剧下降,阻力曲线呈平稳型,说明层状陶瓷具有优异的耐损伤性能和升值R-曲线行为。分析认为,裂纹在弱界面处发生偏折是层状陶瓷具有优良耐损伤性能和升值R-曲线行为的主要原因。这为陶瓷材料在含有一定的制备和加工缺陷以及承受冲击、磨损等接触损伤的条件下保持高强度提供了可能。