2.5维C/SiC复合材料板弹性参数识别方法研究

以大型商业有限元软件NASTRAN为计算平台,提出了基于模态试验结果的2.5维C/SiC复合材料板弹性参数识别方法。基于复合材料板的模态试验结果,采用模型修正的思想构造优化问题,其中目标函数定义为实测模态频率与计算频率之差的平方和,将以刚度平均法获得的复合材料弹性参数的理论预测值作为优化问题的初值,充分利用了材料参数的先验信息,然后对材料参数进行灵敏度分析,通过迭代求解识别出复合材料板的弹性参数。识别后,C/SiC复合材料板第1-4阶模态频率的复现精度明显提高,并能保证第5-8阶模态频率的预示精度。研究结果表明,方法能准确识别2.5维编织C/SiC复合材料的弹性参数,并为复合材料等效建模以及进一步动态特性研究提供参考。     

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。      

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。     

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.     

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。     

针刺C/SiC复合材料应力-应变模型及试验验证

研究了室温下针刺C/SiC复合材料的静拉伸应力-应变行为。基于显微CT技术重构的微观型貌,选取恰当的代表体积单元,建立了针刺C/SiC复合材料应力-应变性能预测的单胞模型。基于可实现任意加卸载下单向纤维增强C/SiC复合材料应力-应变计算的界面摩擦模型,由材料的细观组分性能计算出单向纤维束层的应力-应变响应,然后将单向纤维束层的应力-应变响应代入到单胞模型中,通过有限元法计算得到针刺C/SiC复合材料的整体应力-应变响应。进行了针刺C/SiC复合材料静拉伸试验,测得材料的应力-应变响应,计算结果与试验吻合较好。      

二维编织C/SiC陶瓷基复合材料的热传导系数预测

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热传导系数的单胞模型。模型简化了编织结构纱线的实际构型,充分考虑了编织结构复合材料由于化学气相渗透(CVI)工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热传导系数的影响。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、孔洞体积含量对复合材料热传导系数的影响规律。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,热传导系数减小;当其它参数不变时,热传导系数随着纤维体积含量和孔洞体积含量的增加而下降。利用Hot Disk热测量仪采用瞬变平面热源法测试了二维编织C/SiC复合材料面内的热传导系数,试验结果与模型预测结果吻合较好。     

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。      

2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。     

3D-C/SiC复合材料在室温和1300℃的拉-拉疲劳行为

采用应力比为0.1，频率为60Hz的正弦波在室温和1300℃，10^-4Pa真空中对3D－C／SiC复合材料进行了拉－拉疲劳试验。同时用SEM分析了疲劳断口特征。结果表明：若取循环基数为10^6，1300℃疲劳极限为285MPa，约为抗拉强度的94％；室温疲劳极限为235MPa，约为抗拉强度的85％。1300℃疲劳断口的纤维拔出长度比室温短。疲劳损伤主要起源于纤维束编织交叉部位，随着疲劳循环次数的增加，纤维束周围基体的损伤也不断加剧。     

2D和2.5D编织陶瓷基复合材料加载速率效应和应力-应变行为模拟

对A、B、C三种工艺制备的2D和2.5D编织陶瓷基复合材料进行了准静态拉伸试验,试验采用的加载速率分别为0.02mm/min、0.2mm/min、1mm/min、5mm/min、25mm/min、125mm/min。获得了不同加载速率下,2D和2.5D编织陶瓷基复合材料的应力-应变曲线。基于所获得试验结果,讨论了加载速率对2D和2.5D编织陶瓷基复合材料力学性能产生影响的原因。试验结果表明:A、B工艺的2.5D编织陶瓷基复合材料对加载速率的变化不敏感;C工艺的2D编织陶瓷基复合材料对加载速率变化不敏感,而A工艺的2D编织陶瓷基复合材料对加载速率变化较为敏感,随着加载速率的增加,材料的初始弹性模量有较大程度的增大,破坏应变有所减小。基于基体强度分布理论,模拟了对加载速率不敏感的2D编织陶瓷基复合材料在拉伸载荷下的应力-应变行为。     

2D C/SiC复合材料在1300℃水氧环境下的疲劳行为研究

采用应力比为0．1,频率为3Hz的正弦波分别在室温和1300℃水氧环境对2DC／SiC复合材料进行了拉一拉疲劳试验．结果表明,若取循环基数为10^5,室温和高温水氧环境下的疲劳极限分别为244．8MPa和93．3MPa,高温下的水氧腐蚀是材料失效的主要原因．根据疲劳断口特征分析得出以下结论：在高温水氧环境下,足够大的外载荷将会显著削弱SiO2层的封填裂纹效果,导致氧化性气氛通过外力拉开的微裂纹扩散进入材料内部．外载荷越大,气体在材料内部的扩散越快,复合材料的疲劳寿命越短。     

2D-SiC/SiC复合材料损伤耦合力学行为

基于轴向和45°偏轴加载实验,分别获得2D-SiC/SiC复合材料在单一轴向应力和复合应力状态下纤维束轴向方向上的拉伸、压缩和面内剪切应力-应变行为,计算分析材料在复合应力状态下的损伤耦合力学行为。结果表明,在45°偏轴拉伸和压缩复合应力状态下材料损伤耦合力学行为的起始应力分别约为40MPa和-100MPa。复合应力状态下材料纤维束轴向方向上的拉伸损伤和面内剪切损伤进程间具有相互促进作用,面内剪切损伤对压缩损伤进程具有促进作用,但是压缩应力分量对面内剪切损伤进程具有明显的抑制作用;上述损伤耦合作用随着应力水平的增加而越发显著。由试件断口电镜扫描结果可知,复合应力状态下材料纤维束轴向方向上3个应力分量对材料内部0°/90°和45°3种取向基体裂纹开裂损伤进程的影响作用,是2D-SiC/SiC复合材料产生损伤耦合力学行为的主要细观损伤机制。     

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

An investigation has been undertaken to determine the damage mechanisms and the associated mechanical response of a 2D reinforced composite of carbon fibers in an SiC CVI-processed matrix subjected to uniaxial tensile and compressive loadings at room temperature. Under tension loading, an extended non-linear stress/strain response was evidenced and related to a multi-stage development of damage involving transverse matrix microcracking, bundle/matrix and inter-bundle debonding as well as thermal residual stress release. This tensile behavior proved to be damageable-elastic with respect to a fictitious thermalstress-free origin of the stress/strain axis lying in the compression domain. In compression, after an initial stage involving closure of the thermal microcracks present from processing, the composite displayed a linear-elastic behavior until failure. The extent of damage over the material was characterized quantitatively at the microscale by the decrease of the average transverse microcrack spacing and at the macroscale by the decrease of both the longitudinal Young's modulus and the in-plane Poisson's ratio.     

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。     

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.     

混合前驱体制备高织构三维C/C复合材料的微观结构及疲劳行为

以乙醇和甲烷为前驱体,采用化学气相渗透工艺制备了三维五向编织C/C复合材料。利用偏光显微技术分析了复合材料的微观结构,考察了复合材料的静态弯曲性能和疲劳行为,研究了不同循环加载周期对复合材料弯曲强度和力学行为的影响。结果表明:采用混合前驱体可成功制备高织构3DC/C复合材料,材料的平均弯曲强度为379.2 MPa,其疲劳极限为静态弯曲载荷的80.3%。加载循环应力后, C/C复合材料的弯曲强度在不同周次均有所提升,循环105周后弯曲强度的增幅达16.8%。材料弯曲承载时的\"屈服区\"随着循环次数的增加出现先增大后减小的变化趋势,这与材料疲劳过程中纤维与基体、基体与基体的结合状态有关。