学术前沿

正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《材料研究学报》第30卷,2016年第9期作者:沈珉;孙晓翔;刘洋作者单位:天津大学机械工程学院摘要: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     

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。      

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。     

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。      

考虑界面时细观几何结构对复合材料力学性能的影响

基于应力为未知量的通用单胞模型改进算法在保证计算精度的前提下,可以提高计算效率,本文利用该方法计算了考虑界面时细观结构对纤维增强复合材料力学性能的影响.计算结果表明,当界面结合较差时,必须考虑界面性能对复合材料的影响;当界面模量接近或等于基体的模量时,已满足界面结合完好的条件,因此可不考虑界面对复合材料的影响;界面对复合材料的弹性模量、泊松比以及应力-应变曲线的影响较大,因此,界面是复合材料力学性能预测中不可忽略的重要环节.同时,纤维截面形状及排列方式对复合材料宏观的力学性能影响较大.     

界面相性态对纤维增强复合材料内应力传递的影响

本文用有限元法研究了具有基体裂纹的纤维增强复合材料内的应力传递问题。假设纤维与基体的界面为非理想的，文中运用“弹簧层”模型首先分析了在不同的组分弹性模量比、纤维体积含量与边界约束条件下，界面相性态对复合材料的应力传宾影响，然后进一步考察了在几种典型的损伤模式下界面附近的应力分布情况。     

界面相性态对纤维增强复合材料内应力传递的影响

本文用有限元法研究了具有基体裂纹的纤维增强复合材料内的应力传递问题.假设纤维与基体的界面为非理想的,文中运用“弹簧层”模型首先分析了在不同的组分弹性模量比、纤维体积含量与边界约束条件下,界面相性态对复合材料内的应力传递的影响,然后进一步考察了在几种典型的损伤模式下界面附近的应力分布情况.     

短纤维交错排布复合材料沿轴等效模量的理论预测

该文针对高性能短纤维交错排布复合材料的刚度预测发展了三维"拉伸-剪切链"模型,并通过了有限元(FEM)计算验证,能够合理地预测短纤维交错排布复合材料的等效模量。验证结果显示,对于纤维长细比的变化、纤维体积含量的变化、纤维和基体间弹性模量比的变化,三维"拉伸-剪切链"模型都可以给出合理的预测,为短纤维交错排布复合材料的刚度设计提供了理论指导和参考依据。研究还显示,同样纤维体积含量和长细比下短纤维交错排布复合材料的等效模量远大于短纤维对齐排布的等效模量,说明了短纤维交错排布结构的优越性。     

连续石墨纤维增强铝基复合材料准静态拉伸损伤演化与断裂力学行为

针对连续石墨纤维增强铝基(CF/Al)复合材料,采用三种纤维排布方式的代表体积单元(RVE)建立了其细观力学有限元模型,采用准静态拉伸试验与数值模拟结合的方法,研究了其在轴向拉伸载荷下的渐进损伤与断裂力学行为。结果表明,采用基体合金和纤维原位力学性能建立的细观力学有限元模型,对轴向拉伸弹性模量和极限强度的计算结果与实验结果吻合良好,而断裂应变计算值较实验结果偏低。轴向拉伸变形中首先出现界面和基体合金损伤现象,随应变增加界面发生失效并诱发基体合金的局部失效,最后复合材料因纤维发生失效而破坏,从而出现界面脱粘后纤维拔出与基体合金撕裂共存的微观形貌。细观力学有限元分析结果表明,在复合材料制备后纤维性能衰减而强度较低条件下,改变界面强度和刚度对复合材料轴向拉伸弹塑性力学行为的影响较小,复合材料中纤维强度水平是决定该复合材料轴向拉伸力学性能的主要因素。     

杨木纤维/聚乙烯复合材料拉伸性能微观力学模型

制备了不同杨木纤维含量的杨木纤维/聚乙烯复合材料,利用Hirsch模型、Kelly-Tyson模型和Bowyer-Bader模型对杨木纤维/聚乙烯复合材料的微观力学进行建模,通过对杨木纤维/聚乙烯复合材料及塑料基体的拉伸应力-应变曲线和杨木纤维长度分布的研究,计算得到杨木纤维在聚乙烯基体中的取向系数、界面剪切强度和本征...     

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。     

基于内聚力模型的形状记忆合金短纤维增强树脂基复合材料的模拟分析

通过单纤维拔出实验和单轴拉伸实验, 测定了形状记忆合金(SMA)增强树脂基复合材料的界面脱粘剪切强度和单向随机分布SMA短纤维增强复合材料的拉伸强度。根据蒙特卡罗法和边界条件控制方程, 编写了适于软件调用的单向随机分布短纤维增强复合材料的APDL语言生成程序, 建立数值模拟模型。基于指数型内聚力模型, 对SMA纤维与环氧树脂基体界面分离(即界面脱粘)过程进行了有限元模拟。结果表明: 相同纤维体积分数下, 随着纤维长细比的减小, 复合材料整体弹性模量逐渐降低; 温度驱使SMA纤维弹性模量发生变化, 可以有效提高复合材料整体弹性模量。     

双向等轴拉伸载荷下二维编织陶瓷基复合材料的应力-应变行为预测

将二维编织结构简化为(0°/90°)s正交铺层结构。采用含损伤变量的剪滞分析理论,解得双向等轴拉伸载荷下,0°层和90°层开裂后各层的应力分布;基于随机基体裂纹演化理论,随机纤维损伤和最终失效理论,确定了0°层和90°层沿纤维方向的应力-应变关系,以及切线拉伸模量与施加载荷之间的关系;然后,将切线拉伸模量代入正交铺层结构的剪滞分析中,进而预测出二维编织陶瓷基复合材料在双向等轴拉伸载荷下的应力-应变关系。预测结果表明:在双向等轴拉伸载荷下,二维编织陶瓷基复合材料的横向和纵向应力-应变曲线基本相同,与单向加载时的应力-应变曲线相近。     

-Al_2O_3/Al合金基复合材料拉伸行为的分析和模拟

本文以-Al2O3Al合金基复合材料为研究对象,在细观层次上建立分析模型,采用三维弹塑性有限元分析方法,对它的拉伸行为进行了较为详细的描述。研究涉及该类复合材料加载初期的应力-应变曲线的模拟和各种微结构特征的变化对应力应变行为的影响。同时考虑了纤维位向变化的影响,并引入了实际测得的短纤维位向分布规律,对随机分布短纤维复合材料的力学行为进行了模拟。研究表明,基体性能、纤维长径比和体积分数、纤维位向以及界面结合对-Al2O3Al合金基复合材料的拉伸行为均有较大的影响;本文所采用的有限元分析方法对该类复合材料加载初期的应力-应变曲线的预测也是较为准确的。     

δ-Al2O3/Al合金基复合材料拉伸行为的分析和模拟

本文以δ-Al2O3/Al合金基复合材料为研究对象,在细观层次上建立分析模型,采用三维弹塑性有限元分析方法,对它的拉伸行为进行了较为详细的描述。研究涉及该类复合材料加载初期的应力-应变曲线的模拟和各种微结构特征的变化对应力应变行为的影响。同时考虑了纤维位向变化的影响,并引入了实际测得的短纤维位向分布规律,对随机分布短纤维复合材料的力学行为进行了模拟。研究表明,基体性能、纤维长径比和体积分数、纤维位向以及界面结合对δ-Al2O3/Al合金基复合材料的拉伸行为均有较大的影响;本文所采用的有限元分析方法对该类复合材料加载初期的应力-应变曲线的预测也是较为准确的。     

不同界面SiC纤维束复合材料的拉伸力学行为

利用国产三代SiC纤维通过化学气相渗透工艺(CVI)制备不同界面厚度和基体体积分数的SiC纤维束复合材料,并对其拉伸力学行为进行研究;同时,通过有限元方法研究界面厚度和基体体积分数对SiC纤维束复合材料热残余应力的影响。有限元分析结果表明:该纤维束复合材料的界面存在较为明显的径向和环向热残余应力,而且这两种应力均随着界面厚度增加而减小,随着基体体积分数的增加而增加。拉伸实验结果表明:随着界面厚度增加SiC纤维束复合材料的拉伸强度有增大趋势,且纤维拔出长度也相应增加;但在界面厚度相同的情况下,过高的基体体积分数将导致复合材料拉伸强度和韧性下降。     

莫来石纤维/ZL 109 复合材料强度分散的统计分析

用挤压铸造工艺获得了拉伸强度较高并且强度数据分散度较小的莫来石纤维/ZL 109 复合材料。用W eibull 方法分析该复合材料的拉伸强度值的分布状况, 得到比较大的W eibull 模量。统计分析了复合材料中纤维体积分数和拉伸断口面上的纤维体积分数。结果表明, 纤维的分布在宏观上是随机的而在微观上是不均匀的, 与观察面法线呈小角度的纤维体积分数同与观察面法线成大角度的纤维体积分数比较接近; 在断口面上与拉伸方向呈大角度的纤维体积分数同与拉伸方向呈小角度的纤维体积分数相差较大。认为该复合材料破坏的主要原因在于与拉伸方向呈大角度的纤维与基体的界面脱粘。拉伸强度数据分散的原因在于微观上与拉伸方向呈大角度的纤维分布的不均匀。      

界面弹塑性对原位SiCp/7075Al复合材料弹性模量影响的数值分析

界面把载荷从基体传递到增强体是复合材料弹性变形阶段的重要强化机制。应用ABAQUS有限元软件模拟分析了界面弹塑性对原位SiCp/7075Al复合材料弹性模量的影响规律,结果表明:界面与基体所需的模量比值与颗粒体积分数有关,并不局限于20%~30%;随着界面弹性模量的增大,基体塑性变形量增大,复合材料塑性性能变差;颗粒体积分数大时,界面/基体模量比取满足增强效果的最小值即可;颗粒体积分数越大,界面性能对复合材料的弹性模量的影响越显著,界面弹塑性比基体弹塑性对复合材料弹性模量的影响更明显,并且界面弹塑性会明显地降低颗粒体积分数比较大的复合材料的弹性模量。     

高体积分数 SiC P / Al复合材料的拉伸、 压缩与弯曲特性

对高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiC P/ Al)复合材料的拉伸、 压缩和三点弯曲特性进行了实验研究。结果表明 : 高体积分数 SiC P/ Al 复合材料与低体积分数 SiC P/ Al复合材料相比 , 没有明显的线性屈服阶段。进一步的加载2卸载实验表明 , 在外载荷作用下 , 材料宏观上呈现一种类似金属材料的塑性 , 卸载后留有较大的残余应变 , 再次加载时沿上次卸载路线上升 , 而且拉应力导致的残余应变大于压应力。三点弯曲时材料内部产生残余塑性变形的潜力最大 , 切线模量更稳定。宏观断口分析表明 , 金属基体的非均匀分布导致产生局部渐进的微屈服 ,是使材料性能宏观上类似塑性材料的主要原因。制备过程中的残余应力和基体内部的微缺陷是拉应力比压应力产生更大残余应变的主要原因。     

界面对硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料蠕变性能的影响

界面对复合材料蠕变性能的影响很大。在试验分析的基础上建立了硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料理论分析模型,利用三维有限元分析方法,系统研究了界面特性、界面上应力应变分布和短纤维位向变化对硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料蠕变性能的影响。研究表明：界面特性,如厚度、模量,均对纤维最大轴应力和稳态蠕变速率有影响,当界面厚度增加,纤维最大轴应力减小而稳态蠕变速率增大;当界面模量增大,纤维最大轴应力增大而稳态蠕变速率减小,但当界面模量高于基体模量时,纤维最大轴应力和稳态蠕变速率均保持不变;纤维位向也影响轴应力分布和稳态蠕变速率,纤维在其末端界面上存在较大的应力和应变,此处容易产生微裂纹而使材料抗蠕变能力下降;界面对硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料的蠕变曲线和蠕变断裂机制也有影响,其影响程度还与纤维位向有关。