增强相周期分布的多涂层纤维复合材料反平面问题的解析方法

采用增强纤维周期分布模型,通过引入非均匀的本征应变并结合双准周期Riemann边值问题理论,将非均匀介质问题转化为均匀介质的周期本征应变问题,获得了反平面载荷作用下多涂层纤维复合材料纤维、各涂层和基体中弹性场的解析解答。与有限元、广义自洽和渐进均匀化等方法的比较显示了该文方法的精度。讨论了涂层厚度和刚度等材料微结构参数对界面应力集中系数和有效反平面剪切模量的影响。该文为研究多涂层复合材料界面效应提供了一个有效的分析工具。     

随机植物短纤维复合材料界面性能对有效模量和拉伸行为的影响

研究了界面性能对随机短云杉纤维增强聚丙烯(PP)复合材料宏观拉伸性能的影响。采用双线性内聚力模型(CZM)描述随机短云杉纤维和PP基体间非理想界面的力学行为,建立了含非理想界面的随机短纤维增强复合材料代表性单元(RVE)的二维有限元模型,考虑了纤维含量、长细比、随机分布和随机各向异性弹性以及PP基体弹塑性的影响;模拟了不同纤维含量复合材料的实验拉伸应力应变曲线。结果表明,短云杉纤维/PP基体间非理想界面刚度与复合材料有效弹性模量之间有单调递增的曲线关系,即E-K曲线;同一复合材料不同纤维含量的E-K曲线簇有一个临界交点。在交点右侧强界面刚度区复合材料有效模量随着纤维含量的增加而提高,在交点左侧弱界面刚度区有效模量随着纤维含量的增加而减少。三种不同体积含量10%、20%和49%的云杉/PP复合材料的非理想界面刚度可用E-K曲线和实验测得的宏观有效弹性模量确定,云杉/PP界面初始破坏位移和界面完全破坏位移也可根据模拟拉伸应力应变曲线确定。数值分析结果能用非理想界面刚度来解释和理解随机短植物纤维体积含量对复合材料宏观有效模量的影响。     

立体多向编织结构对复合材料性能的影响

本文采用1×1,1×2和1×3三种不同的编织结构对轴向增强和非增强三维多向编织复合材料的性能进行了研究。对编织复合材料的拉伸强度、刚度和弯曲强度、刚度进行了实验分析。结果表明;三维编织复合材料具有良好的性能。编织结构对复合材料性能有较大的影响。纤维表面编织角和纤维体积比是影响复合材料性能的重要结构参数。通过轴向加入非编织增强纤维,使编织复合材料的拉伸强度和模量,弯曲强度和模量有了较大改善。      

立体多向编织结构对复合材料性能的影响

本文采用1×1,1×2和1×3三种不同的编织结构对轴向增强和非增强三维多向编织复合材料的性能进行了研究。对编织复合材料的拉伸强度、刚度和弯曲强度、刚度进行了实验分析。结果表明;三维编织复合材料具有良好的性能。编织结构对复合材料性能有较大的影响。纤维表面编织角和纤维体积比是影响复合材料性能的重要结构参数。通过轴向加入非编织增强纤维,使编织复合材料的拉伸强度和模量,弯曲强度和模量有了较大改善。     

含界面相的单向纤维增强复合材料三维应力场的二重双尺度方法

提出了计算含界面相的单向纤维增强复合材料三维应力的二重双尺度方法。在性能预报方面,首先对界面相和纤维进行均匀化得到均匀化夹杂,然后对均匀化夹杂和基体进行均匀化得到宏观均匀材料;在应力场描述方面,从宏观均匀场出发,利用双尺度渐近展开技术经过两次应力场传递,依次得到单胞和应力集中区域的应力场。与有限元方法相结合,计算了宏观轴向均匀拉伸载荷条件下含界面相的单向纤维增强复合材料的三维应力场分布。数值结果表明在此载荷条件下最大应力发生在每根纤维的中截面内,靠近纤维与界面相的交界处。讨论了界面相性能对应力场分布的影响,结果显示纤维、界面相与基体力学性能的等差过渡有利于缓解纤维在界面附近的应力集中。      

先驱体浸渍-裂解SiC界面改性涂层对气相渗硅3D-C_f/SiC复合材料力学性能的影响

界面改性涂层对调节复合材料的力学性能起到重要作用。特别是在气相渗硅(GSI)制备C_f/SiC复合材料时,合适的界面改性涂层一方面保护C纤维不受Si反应侵蚀,另一方面调节C纤维和SiC基体的界面结合状况。通过在3D-C纤维预制件中制备先驱体浸渍-裂解(PIP)SiC涂层来进行界面改性,研究了PIP-SiC涂层对GSI C_f/SiC复合材料力学性能的影响。结果表明:无涂层改性的GSI C_f/SiC复合材料力学性能较差,呈现脆性断裂特征,其弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性分别为87.6 MPa、56.9GPa和2.1 MPa·m~(1/2)。具有PIP-SiC界面改性涂层的C_f/SiC复合材料力学性能得到改善,PIP-SiC涂层改性后,GSI C_f/SiC复合材料的弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性随着PIP-SiC周期数的增加而降低,PIP-SiC为1个周期制备的GSI C_f/SiC复合材料的力学性能最高,其弯曲强度、弯曲模量、断裂韧性分别为185.2 MPa、91.1GPa和5.5 MPa·m~(1/2)。PIP-SiC界面改性涂层的作用机制主要体现在载荷传递和"阻挡"Si的侵蚀2个方面。     

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。      

多相周期压电纤维复合材料反平面变形问题的解析解

研究了具有周期微结构的多相压电纤维复合材料在反平面变形下的电弹性场。通过在各非均匀相内引入非均匀的广义本征应变,将原问题等价为带有周期广义本征应变的均匀介质问题,建立了两者间的等价条件。利用等价问题各区域交界处的广义应力连续条件和广义位移协调条件,并结合双准周期Riemann边值问题理论和等价条件,获得了各相材料电弹性场的解析解,进而由平均场理论预测了材料的有效压电系数。比较了相同压电材料体积分数下中空压电纤维、碳芯压电结构纤维和实心压电纤维复合材料有效压电系数的差异,讨论了压电结构纤维中非压电芯刚度及压电结构纤维与基体间涂层的刚度对有效压电系数的影响。研究结果可为高灵敏度压电复合材料的设计提供有价值的参考。     

混杂纤维复合材料的拉伸刚度

对单向和多向混杂纤维复合材料的拉伸刚度进行了研究。在混合定律的基础上考虑混杂比和分散度对混杂效应的影响, 提出了单向混杂纤维复合材料拉伸模量的估算公式。通过实验得到了多向混杂纤维复合材料的拉伸模量, 并且采用经典层合板理论进行了估算, 基于混杂比以及分散度对拉伸模量的影响规律, 对多向混杂纤维复合材料拉伸模量的估算公式进行了修正。结果表明: 混杂纤维复合材料的拉伸模量与混杂比和分散度相关, 分散度的增大在一定程度上可以提高单向混杂纤维复合材料的纵向拉伸模量。采用经典层合板理论所得的拉伸模量与实验值有一定的误差, 而本文所提出的公式能够更加准确地估算混杂纤维复合材料的拉伸模量。      

基于五相球模型确定含涂层空心微球复合材料的有效模量

利用推广的五相球模型得到了含涂层空心微球填充复合材料的有效体积模量、剪切模量和杨氏模量预测的理论公式。分析了复合材料有效模量同空心微球壁的厚度、填充体积分数、涂层厚度等参数的关系。为了说明本文结果的有效性, 将五相球模型退化为不含涂层空心球填充复合材料的情况, 并与文献中的实验数据进行对比。算例计算表明: 涂层较薄时, 填料体积分数越大, 空心微球壁相对越厚, 弹性模量就越大。当填料体积分数最大时, 在空心微球壁相对最薄处, 弹性模量最低。      

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。      

填料特性对聚酰亚胺复合材料摩擦学性能的影响

采用不同特性玻璃质刚性填料(玻璃纤维、玻璃纤维粉、5μm 和20μm 玻璃微珠) 填充改性热塑性聚酰亚胺( TPI) , 利用MPX-2000 摩擦试验机测定了干摩擦、水润滑和油润滑条件下材料的摩擦磨损性能, 考察了不同形态、尺度填料的影响, 用扫描电子显微镜(SEM) 观察磨损表面形貌, 分析材料磨损机理。结果表明, 大尺寸填料的单位个体与基体的界面面积和结合强度大于小尺寸填料, 其磨损率比小尺度填料的材料低。在水和油起到良好冷却作用后, 球形颗粒易出现应力集中, 疲劳裂纹向四周扩展、交汇, 产生疲劳磨损, 其程度随颗粒尺寸增大而提高, 表现为20μm 玻璃微珠填充材料磨损率最大。      

非线性黏弹复合材料有效性质

提出了一个细观力学模型 , 用于预测非线性黏弹聚合物基复合材料的有效性质。该方法利用广义割线模量方法对单积分型热力学本构进行线性化 , 并运用 Laplace变换技术将黏性问题转化为弹性问题。利用热力学本构拟合高密度聚乙烯的实验数据 , 得到基体的材料参数。 利用该模型计算了玻璃微珠填充高密度聚乙烯复合材料(GB/HDPE)在恒应变率下的应力应变关系 , 计算结果与文献实验结果吻合较好。数值计算结果表明 GB/HDPE复合材料表现出明显的非线性力学行为。 该细观力学模型可以很好地预测复合材料非线性黏弹性性质。      

含双周期不等长刚性线材料有效反平面剪切模量研究

研究无限介质中含双周期刚性线夹杂复合材料的反平面问题,其基本胞元含有四条不同长度的刚性线夹杂。运用椭圆函数和保角变换理论,获得了该问题严格的闭合解。利用微结构的周期性和平均应力/应变定理得到了复合材料有效反平面剪切模量的精确公式。由结果的特殊情形可以得到一系列有意义的解答。数值结果给出了该类非均匀材料有效反平面剪切模量随微结构参数变化的规律。精确解可以为其它数值和近似方法提供有价值的参考。     

2D-SiC/SiC复合材料拉伸加卸载行为

为了研究国产2D-SiC/SiC复合材料的拉伸损伤行为以及低周循环载荷作用下的力学性能,通过试验和建立加卸载细观力学模型,对其拉伸加卸载行为进行了探讨。建立了单向连续纤维增强陶瓷基复合材料加卸载细观力学模型,得到了初始加载、卸载和重新加载时的应力-应变关系;利用断裂统计方法得到了基体裂纹数随应力变化的关系和复合材料失效判断条件。经过应力转化,将该模型应用于国产二维编织SiC/SiC复合材料。对单向加载试件,采用正交试验方法和最小二乘法得到基体Weibull模量和界面剪切阻力,通过控制材料失效强度与试验结果一致,得到纤维Weibull模量。由上述参数确定的2D-SiC/SiC复合材料拉伸循环加卸载应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。通过Matlab编程得到2D-SiC/SiC复合材料单向加载时基体开裂过程图。结果表明,2D-SiC/SiC复合材料失效时,基体裂纹分布相对比较均匀;基体裂纹数随应力单调增加,未出现持平段,表明材料失效时,基体裂纹还没有达到饱和。     

酚醛树脂表面处理剂对炭纤维增强环氧树脂复合材料界面强度的影响

采用酚醛树脂作为炭纤维表面处理剂, 可以显著提高多种炭纤维和环氧树脂界面强度。通过XPS、AFM、SEM和层间剪切强度等方法, 研究了不同浓度的酚醛树脂表面处理剂对炭纤维增强环氧树脂复合材料层间剪切强度、炭纤维表面元素和化学键组成的影响, 以及炭纤维增强环氧树脂复合材料断面微观形貌的变化。XPS和AFM分析结果表明酚醛树脂和炭纤维表面发生了化学反应, 而且酚醛树脂处理剂浓度越高, 和炭纤维表面发生反应的基团也越多, 表面越光滑平整, SEM和层间剪切强度研究表明酚醛树脂处理后的复合材料界面粘结性能得到很大的改善, 而且界面粘结性能强烈依靠处理剂浓度。      

考虑孔隙和微裂纹缺陷的 C/ C2SiC编织复合材料等效模量计算

通过观察 C/ C2SiC复合材料组元分布的扫描电子显微镜(SEM)照片 , 获得了 C/ C2SiC复合材料化学气相渗透(CVI)制备过程中产生孔隙和微裂纹的几何信息。在此基础上 , 建立了包含孔隙和微裂纹的 C/ C2SiC微结构有限元模型 , 并利用均匀化等效计算方法预测了平纹编织 C/ C2 SiC复合材料的模量。针对 CVI沉积方式制备的 2组不同的 C/ C2SiC复合材料 , 实验测试与等效计算结果表明 : 基于 SEM照片建立的 C/ C2SiC纤维束和复合材料微结构有限元模型 , 能够反映 CVI工艺制备 C/ C2SiC中孔隙和微裂纹的分布状况; 计算结果与实验数据有良好的一致性 , 数值计算可有效预测 C/ C2SiC编织复合材料的模量。     

双周期电磁弹性纤维增强复合材料的纵向剪切问题

利用等效夹杂法并结合双 (准) 周期解析函数理论,为双周期电磁弹性圆截面纤维复合材料的纵向剪切问题发展了实用有效的解析方法,获得了全场的级数解,给出了应力、电位移和磁感应强度的显式结果。利用数值算例讨论了该类非均匀材料微结构对其电磁弹性性能的影响。本文方法为电磁弹性复合材料的性能分析和微结构设计提供了一个实用有效的计算工具。      

剑麻纤维增强胶原基复合材料

用戊二醛作交联剂对皮革下脚料中提取的胶原水解物进行交联改性,采用溶胀度表征了材料的交联程度。探讨了戊二醛用量、胶原蛋白浓度和丙三醇含量对材料溶胀度的影响,并使用红外光谱对交联产物进行了表征。以改性胶原蛋白为基体、剑麻纤维为增强相,制备了剑麻纤维/胶原蛋白复合材料。用扫描电子显微镜对复合材料的形貌进行了表征,探讨了剑麻纤维的表面处理、纤维含量以及长度对复合材料力学性能的影响。结果表明,对剑麻纤维表面进行碱处理可以改善纤维的表面结构,增加纤维与基体的界面粘结,提高复合材料的力学性能。当剑麻纤维质量分数为15 %、纤维长度为 7～8 mm时,复合材料具有较好的力学性能。该复合材料可望在包装垫隔材料方面得以应用。