SiC/TC4复合材料涡轮轴渐进失效分析

为了研究SiC/TC4复合材料涡轮轴的失效行为,提出轴结构渐进失效分析方法,建立基于Hashin失效准则的层合板模型,并开展SiC/TC4层合板拉伸试验,对比试验与仿真得到的拉伸强度以验证计算方法的有效性.模拟涡轮轴结构在轴向拉伸载荷和扭转载荷下的损伤演化过程,预测失效强度.结果表明:0°铺层时涡轮轴的拉伸强度最大;4...     

单向陶瓷基复合材料横向弯曲试验研究

编织复合材料由于其复杂的纤维编织结构,其界面力学性能的测试与表征较困难。为了研究编织复合材料的界面力学性能,探明复合材料界面剥离强度,文中设计并制备了单向模型复合材料,开展相关横向弯曲试验。结果表明,C/SiC采用PyC界面时,其界面剥离强度约为3 MPa,远低于界面剪切强度。通过对界面强度的综合分析,揭示了编织复合材料的界面力学性能。文中研究不仅对拓展C/SiC的应用具有重要的经济意义,而且可为编织复合材料界面力学的研究提供一定的理论和试验支撑。     

热压烧结工艺以及碳纤维含量对C/SiC复合材料性能的影响

以SiC粉、碳纤维为原料,采用热压烧结工艺制备了C/SiC复合材料,结合正交试验和单因素试验研究了烧结压力、烧结温度和碳纤维含量对复合材料体积密度与抗弯强度的影响。结果表明：碳纤维含量对C/SiC复合材料体积密度的影响最大,烧结温度次之,烧结压力最小;烧结温度对抗弯强度的影响最大,碳纤维含量次之,烧结压力最小;当烧结压力为25 MPa、碳纤维体积分数为30%、烧结温度为2 100℃时,复合材料的综合性能最优,其体积密度为2.30 g·cm^-3,抗弯强度为80.50 MPa。烧结工艺与碳纤维含量的变化通过影响SiC的烧结程度及碳纤维与SiC基体的界面结合强度来影响复合材料的性能。     

热解碳-SiC共沉积界面SiCf/SiC Mini复合材料的制备及其拉伸行为

以国产第三代碳化硅纤维(SiCf)为增强体,通过化学气相渗透(CVI)工艺在SiCf表面同时沉积热解碳(PyC)和SiC形成共沉积界面层,沉积时间为20～70 min,然后继续沉积SiC制备出致密的Mini SiCf/SiC复合材料,研究复合材料的界面结构和拉伸行为.结果表明:20,40,70 min沉积时间下得到共沉积界面层的平均厚度分别为500,1100,2100 nm,界面层厚度均匀,为单层界面;当共沉积界面层厚度为1100 nm时,Mini复合材料的界面结合强度适中,拉伸强度最大,达到626.0 MPa,对应的断裂应变为0.45％.     

旋转超声铣削C/SiC界面结合强度研究

针对C/SiC复合材料零件机加工后疲劳强度大幅降低问题,提出基于旋转超声铣削的抗疲劳加工方法。基于剪切滞后理论构建了超声振幅与C/Si C复合材料界面结合强度的理论模型,阐明了超声振动对界面结合强度的弱化机理。通过静拉伸试验、残余应力检测、疲劳试验和断口观测验证了旋转超声铣削疲劳强化效应。实验结果表明,高频冲击作用使得C/SiC抗拉强度和表面残余压应力显著提高,纤维基体脱黏应力与界面结合强度有效降低,纤维增韧效应显著,抗拉强度和疲劳强度相较传统铣削分别提升了17.5%和9.4%。     

CFRP连接孔几何误差对螺栓连接结构拉伸强度的影响规律研究

针对CFRP沉头螺栓连接孔制孔几何误差对连接结构拉伸强度的影响规律开展了相关研究。为了更为准确预测连接结构的应力变化情况,首先基于准静态试验建立了TC4ELI钛合金的本构模型,并基于Hashin失效准则以及界面的双线性本构建立了复合材料模型,在此基础上形成了复合材料沉头螺栓连接结构的有限元模型,并针对3个主要的制孔误差对连接结构力学性能的影响进行了数值模拟以及实验验证。研究结果表明所建立的有限元模型能够较为准确地预测连接结构失效形式以及拉伸强度。其次,相较于沉头角度以及倒角半径误差,沉头深度几何误差对最终连接结构最大应力值的影响最为显著,同时锪窝孔尺寸上下偏差对连接结构拉伸性能的影响具有较为明显的差异性。     

复合材料电梯层门强度特性研究

针对电梯层门应用复合材料的强度特性问题,对层门门扇及筋板进行了复合材料反对称正交铺层设计,利用复合材料有限元法与Tsai-Wu强度失效准则,对其结构强度特性进行了研究。在层门型式试验验证有限元模型有效的基础上,分别选取单轴玻璃纤维环氧树脂(E-G)和碳纤维环氧树脂(E-C)材料,详细对比了不同层门门扇厚度、筋板个数对层门强度特性的影响。研究表明:在反正对称正交铺层设计下,E-G与E-C复合材料层门均可满足电梯层门设计要求,E-G与E-C复合材料横向压缩强度幅值数倍于横向拉伸强度,门扇内侧区域面内受最大拉伸应力,而外侧区域受最大压缩应力,其层门强度特性主要由横向应力分布主导;提高复合材料性能、门扇厚度和筋板个数目均可有效改善层门整体强度特性。     

2D-C/SiC高温弹性模量的预测

平纹碳布(正交纤维)经过叠层得到二维纤维预制体,预制体通过化学气相渗透法沉积热解碳界面和SiC基体,得到二维编织碳纤维增强碳化硅复合材料(2D-C/SiC)。将纤维与热解碳层进行一体化考虑,把基体与孔隙进行一体化考虑,分别计算纤维的就位模量和基体的有效模量;考虑基体和纤维的模量随温度的变化,在混合定则的基础上,将横向纤维当作孔隙、将横向纤维当作基体和1/2混合定则对2D-C/SiC进行三种简化,预测2D-C/SiC复合材料在室温和高温下的弹性模量。与试验结果进行比较发现,利用1/2混合定则预测的2D-C/SiC在室温和高温下的弹性模量与试验值最接近。     

真空热压烧结SiC_p/Al复合材料的界面元素扩散及增强断裂机理

采用真空热压粉末冶金烧结工艺制备了含SiC颗粒体积分数分别为 5 %、15 %和 2 5 %的SiC颗粒增强铝基复合材料 ,结合其力学性能、扫描电镜和界面微区能谱分析结果 ,分析了SiC/Al复合材料的真空烧结过程中的界面现象 ,以及材料增强和断裂机理。结果表明 ,真空烧结过程中出现了界面反应 ,改善了界面结合强度 ,断裂破坏主要在基体上进行。随着SiC粒子体积分数的增加 ,SiCp/Al复合材料的抗拉强度增加 ,弹性模量显著增加 ,延伸率降低 ,材料脆性增加。     

含孔复合材料层合板的疲劳寿命研究

建立了三维有限元模型,分析了复合材料层合板的应力场。使用修正Hashin失效准则判定复合材料的失效模式,并突降失效单元的材料性能。疲劳载荷引起复合材料刚度降和强度降依靠缓降模型实现。笔者将突降模型和缓降模型植入有限元模型中,模拟了复合材料层合板在拉伸和压缩疲劳载荷下的渐进损伤过程,并计算了层合板的纵向刚度损伤和疲劳寿命。层合板的纵向刚度损伤具有三阶段特点,与试验观察是一致的。层合板疲劳寿命预测值与试验值吻合地很好。     

喷射沉积SiC_p/Al-20Si-4.5Cu梯度复合材料的优化热处理工艺

采用喷射沉积技术制备了SiCp/Al-20Si-4.5Cu梯度复合材料,并对其进行致密化和不同温度、时间的固溶、时效热处理,通过对比硬度得出优化的热处理工艺参数;然后对热处理前后的试样进行拉伸试验,并观察拉伸断口形貌。结果表明:该复合材料优化的固溶温度为485℃,固溶时间为1.5h,时效温度为175℃,时效时间为7h;SiC颗粒含量的梯度变化导致复合材料时效速度呈梯度变化;高SiC含量的表层峰值时效后的抗拉强度最高,为432MPa,其伸长率为5.8%,此时沿SiC颗粒含量梯度降低方向上的复合材料则处于欠时效状态,塑性较好;梯度复合材料中高SiC含量表层的脆性断裂特征明显,沿梯度方向上随SiC含量的降低,复合材料拉伸断口上的韧窝增多,韧性断裂趋势增强。     

粘结带模型在界面强度分析中的应用

对SiC/Ti-834复合材料的单纤维顶出试验进行数值模拟计算,在计算中应用粘结带模型模拟界面,并在细观层次下分析了界面的力学性能和损伤破坏过程,同时研究了不同固化温度条件下材料的界面强度和承载能力。把数值模拟计算结果和试验测量结果进行比较,反演出界面剪切强度和界面摩擦系数。由于碳化硅纤维和钛基的热力学特性不同,在数值计算中必需考虑热残余应力对界面强度的影响。     

3D-C/SiC复合材料的高温拉伸性能

研究了 3D C/SiC复合材料从室温到 15 0 0℃真空条件的拉伸性能。试验材料用T30 0碳纤维编织为三维四向编织体 ,编织角为 2 2° ,用CVI法在 95 0℃～ 10 0 0℃沉积热解碳界面层、SiC基体。最终得到纤维体积分数约为4 0vol%、热解碳界面层厚度约 0 .2 μm和空隙率为 17vol%的复合材料 ,表面SiC涂层厚度为 5 0 μm。试验在超高温拉伸试验机上进行 ,真空度为 10 -3 Pa ,夹头位移速率为 0 .5 95mm/min。结果表明 ,拉伸应力 应变曲线是非线性的 ,大部分拉伸曲线基本由三段折线组成 ,对应着三段模量。第一阶段的模量和基体裂纹饱和应力对应的应变εsa 基本不随温度的升高而改变 ;第二和第三阶段的模量、损伤开始应力σmc、基体裂纹饱和应力σsa、断裂应力σf 和损伤开始应变εmc随温度有相似的变化规律 ,即随温度升高而增加 ,在 110 0℃ ～ 130 0℃范围内出现最大值 ,尔后随温度增加而下降 ;但是断裂应变的变化规律正好与此相反。试样机械加工后 ,由于残余应力部分得到松弛 ,并去除了表面SiC涂层开裂后引起的应力集中 ,因此材料断裂强度和断裂应变明显升高。高温和室温的拉伸断裂应变小于0 .6 % ,不能有效地松弛材料切口处的应力集中。测量了拉伸过程中试样的电阻相对变化率 ,它与载荷的关系曲线总的走势与拉     

亚麻纤维增强环氧树脂基复合材料拉伸强度的预测模型

采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制备了亚麻纤维增强环氧树脂基复合材料,研究了纤维体积分数对其拉伸强度的影响;通过对Kelly-Tyson拉伸强度预测模型进行修正,建立了亚麻纤维增强树脂基复合材料拉伸强度的预测模型,并计算了模型的预测精度。结果表明:当纤维体积分数为38.6%时,复合材料的拉伸强度最大,约为63.10 MPa;不同纤维含量的复合材料因界面剪切强度不同,其所对应的临界纤维长度、纤维拉伸强度及纤维长度效应因子均有所不同;建立的拉伸强度预测模型的预测精度约为97.8%。     

SiCp／ZL101复合材料的性能研究

采用液态搅拌法制备SiCp／ZL101复合材料,研究了SiC颗粒含量对材料抗拉伸强度和硬度的影响规律,同时还研究了固溶温度和时效温度对材料硬度的影响规律。结果表明,在本试验的SiC颗粒含量范围内,SiC颗粒含量越高,SiCp／ZL101复合材料的抗拉强度越高,伸长率越低;在排除缺陷等外来影响因素的条件下,SiCp／ZL101复合材料的硬度随着SiC含量的增加而提高。     

静力拉伸载荷下复合材料单向板刚度衰减规律研究

复合材料单向板在静力拉伸载荷作用下产生损伤后刚度会衰减下降。通过分析单向板静力拉伸破坏过程,研究了纵向、横向及剪切向应力分量对材料刚度衰减的影响,建立了考虑载荷大小和铺角变化的刚度渐进退化模型。为验证模型的合理性,对一系列不同铺角的T700/YPX3001复合材料单向板进行了静力拉伸试验,并且基于所提出的模型采用数值仿真方法模拟复合材料单向板在静力拉伸载荷作用下的损伤过程,数值仿真结果与试验结果相吻合。     

颗粒增强铝基复合材料均质假设有限元计算的有效性

以SiCp/A356复合材料为例,建立了复合材料的两种单元体模型,即均质单元体模型和非均质单元体模型,通过两种模型的计算结果和试验结果的比较,系统地研究了SiC颗粒含量和温度对均质假设有限元计算有效性的影响。结果表明:SiC颗粒质量分数不大于20%的SiCp/A356复合材料,在25~300℃的温度范围内,均质假设的有限元模拟计算是有效的。     

增强体颗粒失效对SiCp/Al复合材料屈服强度的影响

采用Eshelby等效夹杂理论,分析SiCp/Al复合材料受载时作用在SiC颗粒上的应力.假设SiC颗粒失效符合Weibull统计分布,在综合考虑复合材料各种强化机制的基础上,引入颗粒失效对材料屈服强度的影响,建立SiCp/Al复合材料的屈服强度模型.结果表明,该模型预测的屈服强度与相应的实验结果吻合较好.同时模型显示在屈服状态下,颗粒直径较小时,复合材料的颗粒失效以界面脱粘为主,而随着粒度的增大,颗粒的断裂分数迅速增大,颗粒失效则转变为由颗粒断裂和界面脱粘共同控制.     

热力耦合作用下复合材料搭接结构强度研究

复合材料铆钉搭接结构在温度变化情况下强度的研究对复合材料在航空领域上的应用具有重要的意义。为研究温度的变化对复合材料铆钉搭接结构强度的影响,考虑到模型具有高度的非线性问题,因此选用ABAQUS/Explicit求解器进行热力耦合过程的准静态模拟。通过编写VUMAT子程序,修改了材料的本构模型,考虑了温度对复合材料基本属性的影响,添加了混合失效准则以及材料失效后的参数退化方式。在25℃和105℃条件下分别对有开孔的复合材料板进行了压缩的模拟和复合材料铆钉搭接结构进行了拉伸的模拟。研究结果表明,温度的升高会降低压缩载荷作用下复合材料板和拉伸载荷作用下复合材料铆钉搭接结构的刚度与强度。     

加入KH550对废纸纤维增强聚乳酸复合材料微观形貌和性能的影响

采用热压成型法制备了废纸纤维/聚乳酸复合材料,研究了加入KH550前后复合材料的微观形貌、力学性能、热稳定性能和吸水性能。结果表明:加入KH550后废纸纤维/聚乳酸复合材料拉伸断口更平滑,废纸纤维和聚乳酸界面相容性大幅提升;当加入质量分数为5%的KH550溶液时,加入KH550后的废纸纤维/聚乳酸复合材料的拉伸强度和弯曲强度比未加入KH550的分别最大提高11.2%和8.4%;加入质量分数为5%的KH550溶液后,废纸纤维/聚乳酸复合材料的吸水率降低;KH550的添加对复合材料的热稳定性影响较小。