纤维束丝数对平纹编织C/SiC复合材料力学性能的影响

通过对2种丝束平纹编织碳纤维布增强SiC（C/SiC）复合材料的力学性能实验,研究了纤维束丝数（1 k和3 k）对复合材料性能的影响.实验结果表明：1 k C/SiC复合材料的拉伸模量、拉伸强度、压缩模量、压缩强度、面内剪切强度和弯曲强度分别为90.8 GPa,281.8 MPa,135.8 GPa,452.2 MPa,464.3 MPa和126.8 MPa,分别比3 k C/SiC高39%,15.8%,25%,132%,29.3%和30.2%.纤维束粗细不同是导致纤维束弯曲度和复合材料孔隙率差异的主要原因,对压缩强度的影响最大,对拉伸强度的影响最小.     

平纹编织C/SiC复合材料在1300℃模拟环境中的疲劳行为

通过拉-拉疲劳试验并结合电镜扫描观察,对比研究平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料在1 300℃惰性气氛环境和两种腐蚀气氛环境中的疲劳行为.结果表明:由于高温氧化腐蚀的作用,1 300℃下腐蚀气氛环境中C/SiC陶瓷的抗疲劳性能明显比惰性气氛环境差,而且氧气和水分含量越高,陶瓷基复合材料在腐蚀气氛环境中的抗疲劳性能越差.疲劳载荷对氧化腐蚀起着推动作用,疲劳载荷越大裂纹宽度越大,不同的裂纹宽度对应着不同的氧化机制,从而产生不同的氧化形貌.腐蚀气氛环境中的氧气含量决定着C纤维的氧化速度.水分含量低时,于1 300℃在涂层表面生成无定形态的SiO2对裂纹具有封填效果从而提高材料寿命;水分含量高时不仅促使SiO2大量析晶减弱其封填效果,而且其会与SiO2反应生成气态产物,大量消耗涂层,降低材料寿命.     

平纹编织C/SiC复合材料的断裂韧性

采用紧凑拉伸试件进行循环加载,研究了化学气相渗透工艺制备的二维平纹编织碳布增强碳化硅(C/SiC)复合材料的断裂韧性.基于实验结果,应变能释放率可分为弹性应变能释放率和不可逆应变能释放率,分别分析了弹性应变能释放率和不可逆应变能释放率随裂纹扩展的变化规律.发现在裂纹扩展初始阶段,裂纹分叉引起不可逆应变能释放率远高于弹性应变能释放率.随裂纹进一步扩展,不可逆应变能释放率迅速下降;最终两部分能量释放率都达到相近的平稳值,且不可逆应变能释放率大于弹性应变能释放率.对试件断裂表面进行扫描电镜分析,发现在裂纹尖端区域基体主要是剪切损伤,纤维具有很长的拔出长度.     

平纹编织碳纤维增强碳化硅复合材料低速冲击特性及冲击后的压缩强度

采用落锤冲击试验系统对平纹编织碳纤维增强碳化硅复合材料平板试样进行低速冲击,冲击能量为1.5～9J。冲击试验后,采用超声C扫描得到冲击损伤的大小。对含冲击损伤的试样进行压缩试验,通过与未冲击试样的压缩强度比较,得到冲击试样的剩余压缩强度。并对比了编织陶瓷基复合材料和树脂基复合材料的损伤阻抗和损伤容限。结果显示:随着冲击能量的增加,冲击力峰值、复合材料损伤面积和凹坑深度明显增加,到达峰值冲击力的时间减小。冲击能量的增加会导致冲击损伤面积的增加,而损伤面积的增加会导致剩余压缩强度的明显降低。相对于编织纤维增强树脂基复合材料,编织纤维增强陶瓷基复合材料的损伤阻抗较低,但损伤容限较高。     

平纹编织碳纤维增韧碳化硅复合材料的力学性能及损伤演化

通过平纹编织碳纤维增韧碳化硅复合材料的拉伸、压缩和剪切的单向与循环加–卸载实验,分别研究了材料在拉伸载荷、压缩载荷和剪切载荷作用下的力学性能和损伤演化过程。结果表明:在压缩载荷作用下,材料的压缩性能下降很小,基体开裂,纤维界面脱粘和纤维束断裂为主要的失效机理;材料在拉伸和剪切载荷作用下,损伤演化过程有所区别。材料拉伸损伤演化经历损伤初始阶段、损伤加速阶段和损伤减缓阶段,为韧性断裂,损伤破坏主要表现为:基体开裂、横向纤维束开裂,界面层脱粘、层间剥离和纤维断裂;在剪切载荷作用下,经历损伤加速阶段和损伤减缓阶段,基体开裂、界面层脱粘和纤维断裂为主要的损伤机理,试样最后在最窄截面位置形成平断面。基于实验研究结果,采用回归分析方法,分别给出了材料在拉伸载荷和剪切载荷作用下损伤演化方程式。     

三维编织Cf/SiC复合材料的拉伸破坏行为

通过三维编织碳纤维(carbon fiber，Cf)／SiC复合材料样品单向拉伸以及单向拉伸加卸载实验．结合样品断口观察．从宏观上分析了三维编织Cf／SiC复合材料单向拉伸时的力学响应，为进一步描述三维编织Cf／SiC复合材料力学行为奠定了实验基础。实验结果表明：三维编织Cf／SiC复合材料单向拉伸时，卸载模量衰减与应力呈线性关系，残余应变的增加与应力呈二次函数关系。微裂纹主要在编织节点处萌生，沿纤维束界面扩展，最终在编织节点处汇合，导致样品发生破坏。     

平纹编织C/SiC单钉铆接单元的制备与拉伸行为

耐高温高强韧性连续碳纤维增韧碳化硅复合材料(C/SiC)是空天飞行器用热结构件的首选材料之一.C/SiC热结构件的结构复杂,其连接技术是推动该材料应用的关键.采用化学气相渗透工艺制备2D C/SiC单钉铆接单元,研究其微结构和拉伸行为,分析相应的失效机制.结果表明:2D C/SiC单钉铆接单元的显微结构具有多孔、非均匀...     

平纹编织C/SiC复合材料精细RVE的建立

通过对平纹编织C/SiC复合材料经向和纬向截面的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)照片的精确测量,获取了纤维束的几何参数和波动曲线,以四参数正弦函数为拟合函数,得到了纤维束纵、横截面的参数化曲线方程。并通过建立的代表特征体元(representative volume element,RVE)得到纤维体积含量的计算值与试验测定值相比较,来检验模型的精确性。以MSC.PATRAN为平台,采用六面体单元进行分网,得到了RVE的三维有限元模型。通过在RVE模型中预制孔洞的方法,计算了平纹编织C/SiC复合材料的有效弹性模量,其中轴向拉伸模量与轴向剪切模量的计算值与试验值吻合较好,其它3个有效弹性模量还有待试验值的检验。     

平纹机织玄武岩纤维/环氧树脂复合材料冲击拉伸行为

以常规机织工艺生产织物增强体,以真空辅助树脂转移模塑法(VARTM)制备成型复合材料,研究单层平纹玄武岩长丝增强环氧树脂复合材料在准静态和高应变率加载下的拉伸性能。准静态和高应变率拉伸试验分别在MTS-810.23试验仪和分离式霍普金森拉杆(SHTB)测试系统上完成。试验结果表明该材料的力学性能具有应变率依赖性:随着应变速率的增加,拉伸模量和拉伸强度单调增加,失效应变单调减小,弹性能先增加后减小。材料的失效破坏特征也呈现明显的应变率效应:准静态拉伸时,材料断口整齐,树脂的破碎少,几乎没有纤维的抽拔和经纬向纤维束间的滑移;高应变率拉伸时,材料断口参差错乱,树脂完全破碎,纤维束抽拔严重、相互崩裂和滑移,织物增强体结构的整体性破坏严重。     

三维编织SiO2基复合材料性能的研究

采用液相渗积工艺制备了三维SiO2／SiO2复合材料，对该材料的致密化以及力学性能、热物理性能、烧蚀性能和断口显微形貌进行了研究与分析，并着重研究了纤维体积含量及热处理温度对复合材料抗弯强度的影响。研究表明：该复合材料具有较好的力学性能和优良的抗烧蚀性能，随着纤维体积含量的提高，复合材料的抗弯强度随之提高。当纤维体积分数为50％，热处理温度为700℃时，复合材料显示出最高的抗弯强度(78MPa)。在烧蚀过程中无分层和剥离现象，表面光滑平整，耐烧蚀速率为0．17mm／s。通过加入非离子型表面活性剂，极大地改善了料浆的渗积性能，提高了复合材料的致密化程度，复合材料的密度高达1．65g／cm^3。复合材料的断面显微观察表明，材料的增韧机制是基体与纤维界面的脱粘和纤维的拔出吸收了大量的能量，使得该材料具有较高的强度，并具有非脆性断裂的特征。     

2维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征

通过单向拉伸和分段式加载-卸载实验,研究了二维编织C/SiC复合材料的宏观力学特性和损伤的变化过程.用扫描电镜对样品进行微观结构分析,并监测了载荷作用下复合材料的声发射行为.结果表明:在拉伸应力低于50MPa时,复合材料的应力-应变为线弹性;随着应力的增加,材料模量减小,非弹性应变变大,复合材料的应力-应变行为表现为非线性直至断裂.复合材料的平均断裂强度和断裂应变分别为23426MPa和0.6%.拉伸破坏损伤表现为:基体开裂,横向纤维束开裂,界面层脱粘,纤维断裂,层间剥离和纤维束断裂.损伤累积后最终导致复合材料交叉编织节点处纤维束逐层断裂和拔出,形成斜口断裂和平口断裂.     

SiC和Ti(C,N)双相弥散陶瓷复合材料的氧化性能

详细研究了SiC和Ti(C,N)双相弥散AI2O3基陶瓷复合材料的高温氧化性能,结果表明：该材料在空气中静态氧化时的氧化增重符合抛物线规律,氧化产物主要是3AIO3、2SiO2和Ti2。随弥散相SiC和Ti(C,N)的增加,材料的氧化活化能有不同程度的下降。该材料具有较好的抗氧化性能。     

C／SiC复合材料的氧化行为研究

论述了ＳｉＣ的两种氧化行为－活性氧化和惰性氧化以及ＳｉＣ发生惰性氧化时Ｃ／ＳｉＣ复合材料的氧化行为,通过热重分析和电镜观察分析研究了温度,时间,氧含量等因素对抗氧化性能的影响;并对Ｃ／ＳｉＣ复合材料的氧化机理进行了探讨。     

树脂基三维机织复合材料拉伸失效模式研究

树脂基三维机织复合材料试件在拉伸过程中,较多试样出现两个断口,其中一个断口出现在夹持过渡段,且呈明显的压缩失效特征。采用显式有限元计算及应力波理论分析方法,对试件断裂后的瞬态位移及应变响应开展了研究,结果显示拉伸断裂后应力波在远端夹持端引起的压缩应变大于静态压缩失效应变,从而导致在夹持端发生二次失效。该结论对采用ASTM D3039开展三维机织复合材料拉伸试验时的有效破坏模式提出了修正建议。     

Al2O3/SiC/(W, Ti)C多相复合陶瓷材料的研究

建立了多相复合陶瓷材料增强相极限体积含量的理论模型,并采用热压工艺制得AI2O3/SiC/(W,Ti)C多相复合陶瓷材料,该材料具有良好的综合力学性能。研究表明：只有在合适的热压工艺和组分条件下才能获得良好的微观结构与力学性能。该陶瓷材料的增韧机制主要是裂纹偏转。此外,大量孪晶和位错的存在对材料的增韧补强也有所贡献。     

电泳沉积-烧结两步法制备C/SiC复合材料

采用电泳沉积法在石墨基体上制备厚度可控的Si涂层,考察了电泳沉积参数(电压、沉积时间、固含量及添加剂量)对涂层沉积量的影响。所制备的Si涂层通过烧结与石墨基体发生在位反应形成SiC涂层。涂层成分的XRD分析表明烧结后生成β-SiC。用SEM观察涂层烧结前后的形貌,烧结后Si渗入基体内部。孔径分布数据表明所形成的SiC涂层导致石墨孔径变小。1200℃的抗氧化实验表明涂层起到了良好的防护作用。实验提供了一种制备C/SiC复合材料的新方法。     

复合材料夹层梁受弯破坏模式试验与理论分析

本文对不同芯材、不同高跨比的轻质复合材料夹层梁进行了试验研究.通过对夹层梁的各种破坏模式进行分析,研究了夹层梁的破坏模式与荷载、材料基本力学性能、几何参数的关系,并在此基础上绘制了夹层梁破坏模式图,预测了夹层梁的破坏模式.试验结果与理论分析吻合较好,夹层梁设计参数变化会引起破坏模式的相应改变.     

2-D叠层炭/炭复合材料失效机理的研究

根据二维（2－D）炭／炭（C／C）复合材料存在的几种基本的失效模式，即基体开裂，分层，纤维断裂与脱粘，分别对其在拉伸载荷，剪切载荷及单轴压缩载荷下的失效机制的国内外一些研究成果进行综合评述，并给出了目前主要采用的一些失效分析方法，对2－D叠层C／C复合材料力学性能的研究具有普遍意义。