考虑界面相的低温复合材料结构多尺度分析

纤维增强复合材料中纤维与树脂基体之间的过渡区域存在与二者性质不同的纤维/基体界面,如何合理地考虑界面相的介入是复合材料结构失效分析中的关键问题.基于纤维-基体-界面三相代表体元,发展了相应的微观失效准则、损伤退化模型和材料强度不确定性模型,建立了一种考虑界面相的多尺度有限元失效分析方法,实现了的热-机械载荷下的低温复合材料结构失效预测.并采用该方法对五种温度下三种典型复合材料层板进行失效分析,数值结果与试验结果相吻合,验证了该方法可以有效地对低温复合材料结构进行失效分析.     

铝基复合材料阻尼性能研究

研究了金属基复合材料的不同纤维含量及热处理对铝基复合材料阻尼性能的影响。研究结果表明，纤维含量以及热处理影响铝基复合材料的阻尼性能。铝基复合材料的阻尼性能主要由材料的微观组织结构（基体、界面、增强体）决定。     

基于三相微观结构的纤维复合材料切削仿真研究

为了研究纤维增强复合材料在切削过程中的材料去除机理及切削性能,本文建立了基于三相微观结构的纤维增强复合材料的二维有限元切削模型。针对纤维、基体和界面相组成三相微观结构,分别建立了它们的本构模型和失效准则,并完成复合材料二维正交切削的动态物理仿真。通过切削力仿真值与实验值的比较,验证了该模型的准确性和有效性。并基于此模型,分析材料的切屑形成机理、切削损伤及加工参数对切削力的影响。结果表明,纤维增强复合材料的切屑形态、损伤模式和切削力具有明显的各向异性。     

仿生叠层复合材料的制备及层间性能研究

把贝壳的结构机制及韧化机理应周于叠层复合材料的设计中。利用铝合金作为基体材料，纤维／树脂作为夹层材料，设计并制备了纤维／树脂／铝合金叠层复合材料。通过扫描电镜从微观上对复合材料的界面进行研究，指出成型工艺对复合材料界面的影响。通过T剥离强度试验对叠层复合材料的界面粘接强度进行测试，在宏观上对复合材料的层间性能进行了分析。     

石英纤维增强酚醛多孔复合材料的制备及性能

以耐高温酚醛树脂为基体,石英纤维为增强体,热膨胀型微胶囊及空心玻璃微珠为填料,通过模压法和热膨胀法相结合制备了新型石英纤维增强酚醛多孔复合材料。采用扫描电镜、热重分析及力学性能测试,研究了不同热膨胀型微胶囊含量对复合材料微观组织及性能的影响,并通过断口形貌分析,揭示了该多孔材料的结构失效模式。结果表明：采用热膨胀法制备的隔热材料泡孔结构完整,闭孔率高,材料的隔热性能优异。当热膨胀型微胶囊含量为20wt%时,材料的综合性能最好,进一步提高微胶囊含量会导致开孔空隙率升高,材料的隔热性能降低。材料的断口形貌分析表明,复合材料中石英纤维与基体结合良好,界面强度适中,材料在拉伸和压缩应力下表现出非脆性断裂特征。     

纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能研究

采用模压工艺制备了连续纤维增强聚丙烯复合材料与短纤维增强聚丙烯复合材料的层合材料,测试了含不同连续纤维层比例的层合材料力学性能,分析了其失效机理。结果表明,连续纤维层可以显著提高层合材料的强度,层合材料的强度随连续纤维层的增加而提高。连续纤维层与短纤维层的界面在拉伸测试中保持完好,可以有效传递应力,20%连续纤维层的层合材料拉伸失效以撕裂为主。层合材料在弯曲过程中尽管部分连续纤维断裂,但连续纤维层有效抑制了材料截面的穿透性裂纹扩展,阻止了材料的宏观断裂。连续纤维层与短纤维层的强度差异导致层合材料在冲击过程中扭转,层间界面在扭转剪切作用下分层失效。     

细观力学模型预测复合材料横向强度性能研究

为了研究纤维增强复合材料在横向拉压载荷下的力学性能,采用细观力学有限元法与随机扰动法建立了表述复合材料微观结构的纤维随机分布代表性体积单元。对于界面脱粘与基体塑性变形这两种主要的损伤模式,分别用界面内聚力单元模型、基体Drucker-Prager弹塑性模型模拟,并结合塑性失效准则模拟基体的初始损伤与断裂,得出了材料在外载作用下的渐进损伤过程,并与试验结果进行了对比验证。此外,还总结了界面刚度、界面强度、界面断裂能等细观参数对损伤本构的影响规律。     

2D编织CVI SiC_f/SiC复合材料热力学性能多尺度分析

根据2D编织CVI SiCf/SiC复合材料微观单向结构RVE模型、细观含孔隙的编织结构RVE模型和微观组份材料性能,采用热固耦合双尺度渐进均匀化分析方法的分析程序,依次预测了复合材料微观、细观的热力学性能。分析得到了完整的SiCf/SiC复合材料宏观热力学性能,宏观弹性模量预测值与实验测量值相对误差7%以内,导热系数和热膨胀系数预测值基本落在试验结果统计范围内,为2D编织CVI SiCf/SiC复合材料构件热固耦合分析提供了基本材料参数。     

混杂复合材料拉伸失效过程的两尺度数值模拟

建立了混杂复合材料纤维和纤维束两个尺度的三维有限元模型。纤维尺度模型包含了单种纤维和树脂基体,考虑了纤维、基体、纤维/基体界面等微观失效机理,以此得到了单种纤维复合材料(纤维束)的强度参数;纤维束尺度模型包含了不同种类的纤维束,考虑了纤维束自身及相邻纤维束之间界面的失效。模型中各组分材料的损伤和失效均采用粘聚力模型模拟,反映出材料中裂纹的分布和扩展情况。两级模型的计算均采用显式有限元算法,可考虑纤维断裂时释放出的能量对周围材料的冲击效应。两级模型还分别引入了纤维和纤维束强度参数的Weibull分布,考虑了破坏的随机性。用上述模型模拟了不同混杂比例、不同混杂方式的碳/玻纤维混杂复合材料拉伸失效过程。研究发现碳纤维束体积含量小于等于10%时有明显的二次破坏现象,此时夹芯混杂材料的最大伸长率和拉伸强度略高于分散混杂材料;当碳纤维束体积含量大于10%时,二次破坏不明显,且两种混杂方式对材料的强度影响不大。     

孔隙对纤维增强聚合物基复合材料层压板力学性能影响的研究进展

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从理性层面研讨了孔隙率、孔隙形态和孔隙大小等对复合材料结构力学性能的影响;从实验角度阐述了含孔隙复合材料的性能模拟、细观机制模型和有限元模型的研究进展;指出了纤维增强聚合物基复合材料孔隙问题的未来研究方向。     

湿热老化对纤维增强树脂基复合材料性能的影响及其机理

总结了纤维增强树脂基复合材料湿热条件下的吸湿行为及影响吸湿的因素;综述了湿热老化对复合材料耐热性能和力学性能的影响,分析了其作用机理。多数树脂基复合材料吸湿的初期阶段符合费克定律,吸湿会造成树脂基体的塑化、水解,产生裂纹以及纤维/树脂基体界面破坏,从而降低材料的性能。最后对纤维增强树脂基复合材料湿热老化研究提出了几点建议。     

304不锈钢/TiNi纤维对增强ZL105A复合材料组织和性能的影响

为获得轻质高强度铝合金,通过真空液相吸铸工艺将304不锈钢/TiNi纤维分别嵌入到ZL105A铝合金内部,制备出高性能的纤维增强ZL105A铝基复合材料。通过试验,观察纤维表面镀铜状态对接合界面的影响,探究不同纤维种类、直径对ZL105A铝基复合材料的微观组织、力学性能及电学性能的影响规律。结果表明:纤维表面镀铜可改善纤维与基体的润湿性,提高了复合材料的综合性能;TiNi纤维增强复合材料的力学性能高于304不锈钢纤维增强复合材料;但就复合材料的电阻率来看,304不锈钢纤维增强复合材料的增强效果要高于TiNi纤维增强复合材料;在一定范围内,随金属纤维直径的增加,纤维增强ZL105A铝基复合材料的增强效果不断加强。     

连续纤维自增强复合材料3D打印及其回收性能研究

连续纤维增强复合材料3D打印工艺的出现,为复合材料构件低成本快速制造提供了一种新方法,为了充分利用3D打印连续纤维增强热塑性复合材料成形快,易成形复杂零部件的特点,结合自增强复合材料具有良好界面结合性,可循环利用的优势,分析了自增强复合材料3D打印技术研究的发展现状,提出一种利用过冷熔体成形连续纤维自增强复合材料的3D打印方法,设计了基于过冷的自增强复合材料熔融挤出打印喷头,采用聚苯硫醚(Polyphenylene sulfid,PPS)纤维与PPS树脂作为自增强复合材料原材料,探究自增强复合材料成形打印温度窗口、复合材料力学性能、微观界面结合性,以及对连续纤维自增强复合材料完全可回收性能研究分析。     

聚乙烯亚胺修饰碳纤维对环氧树脂复合材料性能的影响

为提高碳纤维与环氧树脂的界面结合性能,从而提高复合材料的摩擦学性能,用聚多巴胺和聚乙烯亚胺对碳纤维进行表面修饰,利用光谱分析仪和扫描电子显微镜分析修饰前后碳纤维表面的化学组成和微观结构,利用万能材料试验机和摩擦磨损试验机考察碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能和摩擦学性能。结果表明：碳纤维经表面处理之后的粗糙程度和活性官能团增多,改善了纤维与树脂之间的界面结合,使得复合材料的弯曲强度和拉伸强度得到不同程度的提高;与未修饰碳纤维增强的环氧树脂复合材料相比,表面修饰碳纤维增强环氧树脂复合材料的耐磨性能得到了很大程度的提高,复合材料的磨损机制也由疲劳磨损转变为磨粒磨损。     

陶瓷基复合材料低循环拉—拉疲劳寿命预测

采用细观力学方法建立预测纤维增强陶瓷基复合材料低循环拉—拉疲劳寿命的模型。该模型考虑初始加载到疲劳峰值应力时,基体出现裂纹,纤维/基体界面发生脱粘,部分纤维将发生断裂,并采用统计方法得到初始加载到峰值应力时的纤维失效体积分数;在后续循环过程中,考虑纤维相对基体在界面脱粘区滑移造成界面切应力下降,纤维失效模型与Evans界面磨损模型相结合,得到循环过程中纤维失效体积分数与界面切应力、循环数之间的关系;当纤维失效导致剩余强度下降,并小于疲劳峰值应力时,判断材料失效。采用剩余强度方法对陶瓷基复合材料的S-N曲线进行预测,并将预测的S-N曲线与试验数据进行对比,结果吻合较好。     

风电制动片材料冲击性能及摩擦性能分析

基于对风力发电机制动片现用摩擦材料的分析,研制了纤维增强复合材料,并利用分离式霍普金森压杆试验装置和MM-1000磨粒磨损试验机,研究制动片摩擦材料的冲击性能和耐磨性能.通过对铜基粉末冶金、颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料的应力-应变和摩擦性能比较和分析,得出纤维增强复合材料具有较好的耐冲击性能和良好的塑性性能,并且其摩擦性能高于其他两种材料,故可以取代其他两种材料成为风电制动片材料.     

真空压力浸渍法制备Gr／Mg复合材料

石墨纤维增强镁基复合材料具有优良的综合性能，本文采用真空压力浸渍工艺制备出高性能的Ｇｒ／Ｍｇ复合材料。通过实验发现，适当提高预制件温度和采用ＳｉＣ颗粒混杂技术可明显改善预制件的浸渍情况和纤维分布的均匀度，当预测件温度适中时材料能获得最佳的力学性能，加入ＳｉＣ颗粒后有利于力学性能的提高，预制件温度对材料的界面也有一定的影响。     

单向碳纤维复合材料界面力学性能测试研究

编织陶瓷基复合材料由于复杂的纤维编织结构,其界面力学性能测试与表征较困难。为了研究编织复合材料的界面力学性能,探明应力作用下的界面失效机制,本文设计并制备了单向模型复合材料,开展相关单纤维压出的微纳实验。结果表明,C/SiC采用PyC界面时,其界面剪切强度约为35 MPa。通过对纤维的压出过程进行分析,揭示了载荷作用下的裂纹萌生及扩展规律。课题研究不仅对拓展复合材料的应用具有重要的经济意义,而且可为复合材料界面力学与断裂力学的研究提供一定的理论和实验支撑。     

织物细观结构参数对三维机织陶瓷基复合材料弹性性能的影响

提出倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料弹性性能预测模型,考虑材料实际的编织结构和相邻纤维束之间的孔隙,讨论织物细观结构参数对倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料弹性性能的影响.通过两个重要细观结构参数分析探讨不同结构参数对纤维体积含量和曲屈率的影响,并进一步给出纤维体积含量和曲屈率对弹性性能的变化关系.另外还对编织陶瓷基复合材料制造过程中材料的高温损伤进行初步分析.     

纤维增强铝基合金材料的研究现状

复合材料是将两种或两种以上性质截然不同的材料加以优化组合构成的一种材料,具有更好的综合性能和良好的发展前景,受到人们的广泛关注和研究。本文介绍了复合材料的分类、金属基复合材料的常用基体及增强体材料,并对金属基复合材料中纤维增强铝基复合材料展开了详细介绍。综述了各种纤维的性能、制备方法、研究现状、应用范围。简介了纤维增强铝基复合材料的主要制备方法、并对几种典型的纤维增强铝基合金的性能优缺点、研究现状、应用领域等进行了论述。最后概述了目前存在的问题及发展趋势。