多相周期压电纤维复合材料反平面变形问题的解析解

研究了具有周期微结构的多相压电纤维复合材料在反平面变形下的电弹性场。通过在各非均匀相内引入非均匀的广义本征应变,将原问题等价为带有周期广义本征应变的均匀介质问题,建立了两者间的等价条件。利用等价问题各区域交界处的广义应力连续条件和广义位移协调条件,并结合双准周期Riemann边值问题理论和等价条件,获得了各相材料电弹性场的解析解,进而由平均场理论预测了材料的有效压电系数。比较了相同压电材料体积分数下中空压电纤维、碳芯压电结构纤维和实心压电纤维复合材料有效压电系数的差异,讨论了压电结构纤维中非压电芯刚度及压电结构纤维与基体间涂层的刚度对有效压电系数的影响。研究结果可为高灵敏度压电复合材料的设计提供有价值的参考。     

双周期涂层纤维增强复合材料反平面剪切问题

研究了双周期含涂层纤维增强复合材料在远场反平面载荷作用时的问题 , 利用 Eshelby等效夹杂方法和 Laurent 级数展开技术 , 并结合双准周期 Riemann边值问题理论 , 获得了其全场解析解 , 得到了应力场和有效模量表达式。与有限元结果的对照显示出本方法的效率和精度。考察了涂层参数对复合材料细观应力场和宏观有效性能的影响。当涂层刚度较大时 , 涂层内存在高的应力集中 , 且涂层刚度越大、 涂层相对厚度越小 , 应力集中系数越大。纤维刚度对复合材料有效模量的影响也取决于涂层性能 , 非常软或非常硬的涂层都大大限制了纤维刚度对复合材料有效模量的贡献。      

含双周期不等长刚性线材料有效反平面剪切模量研究

研究无限介质中含双周期刚性线夹杂复合材料的反平面问题,其基本胞元含有四条不同长度的刚性线夹杂。运用椭圆函数和保角变换理论,获得了该问题严格的闭合解。利用微结构的周期性和平均应力/应变定理得到了复合材料有效反平面剪切模量的精确公式。由结果的特殊情形可以得到一系列有意义的解答。数值结果给出了该类非均匀材料有效反平面剪切模量随微结构参数变化的规律。精确解可以为其它数值和近似方法提供有价值的参考。     

含非均匀界面相纤维增强复合材料热传导性能预测的递推公式

研究了含非均匀界面相纤维增强复合材料的宏观等效传热性能。将热导率沿径向连续变化的界面相离散为多个热导率均匀的同心圆柱层,采用广义自洽法和复变函数理论,推导了复合材料宏观等效热导率的解析递推公式,并由递推公式给出了均匀界面相和理想零厚度界面的封闭公式。理想零厚度界面复合材料的热导率与已有理论结果一致。理想零厚度界面和非均匀界面相模型的计算结果与实验数据比较表明,当纤维体积分数较小时,2种模型的预测结果与实验数据吻合均较好,当体积分数较大时,与实验数据相比,非均匀界面相模型的精度大大高于理想零厚度界面模型的精度。本文中给出的递推公式亦可用于计算多涂层纤维增强复合材料的热导率。     

中空纳米夹杂填充复合材料的反平面问题

研究了中空纳米夹杂填充复合材料的反平面问题。基于Gurtin-Murdoch表/界面理论和广义自洽方法, 给出了考虑夹杂界面效应时空隙-夹杂-基体-等效介质模型的全场精确解, 并推导了中空纳米夹杂填充复合材料有效反平面剪切模量的闭合形式解。由本文结果的特殊情形, 可以得到一系列有意义的解。数值结果表明: 中空夹杂的尺寸在纳米量级时, 复合材料的有效反平面剪切模量受表/界面效应影响显著; 表/界面效应的影响随着夹杂尺寸的增大而逐渐减弱; 当中空纳米夹杂的体积分数和外半径一定时, 壁厚越薄其表/界面效应越大; 在相同的夹杂外半径下, 中空纳米夹杂填充复合材料的表/界面效应比实心纳米夹杂填充复合材料更加明显; 无量纲反平面剪切模量受夹杂的表/界面性能和刚度影响显著, 过高的夹杂刚度使得表/界面效应的影响变弱。      

N—层涂层夹杂体体复合材料有效模量显示表达

利用Ｇｒｅｅｎ函数及积分方程技术,在夹杂应变均匀的近似假定下,将Ｈｉｌｌ界面条件应用于整个二相体内,从而得到一种可以预报任意椭球夹杂体复合材料有效模量的广义自洽Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ方法。采用一种逐步渐进的均匀化技术将该模型推广至Ｎ层涂层夹杂问题,得到了Ｎ层涂层夹杂体复合材料的表达。与有的实验和理论结果比较表明,本文模型准确可靠,便于应用。同时本文还证实,采用夹杂均匀应变假定并利用Ｈｉｌｌ界面条件     

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

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弹性以及PP基体弹塑性的影响;模拟了不同纤维含量复合材料的实验拉伸应力应变曲线。结果表明,短云杉纤维/PP基体间非理想界面刚度与复合材料有效弹性模量之间有单调递增的曲线关系,即E-K曲线;同一复合材料不同纤维含量的E-K曲线簇有一个临界交点。在交点右侧强界面刚度区复合材料有效模量随着纤维含量的增加而提高,在交点左侧弱界面刚度区有效模量随着纤维含量的增加而减少。三种不同体积含量10%、20%和49%的云杉/PP复合材料的非理想界面刚度可用E-K曲线和实验测得的宏观有效弹性模量确定,云杉/PP界面初始破坏位移和界面完全破坏位移也可根据模拟拉伸应力应变曲线确定。数值分析结果能用非理想界面刚度来解释和理解随机短植物纤维体积含量对复合材料宏观有效模量的影响。     

N-层涂层夹杂体复合材料有效模量显示表达

利用Green函数及积分方程技术,在夹杂应变均匀的近似假定下,将Hill界面条件应用于整个二相体内,从而得到一种可以预报任意椭球夹杂体复合材料有效模量的广义自洽Mori-Tanaka方法.采用一种逐步渐进的均匀化技术将该模型推广至N层涂层夹杂问题,得到了N层涂层夹杂体复合材料的显式表达.与有的实验和理论结果比较表明,本文模型准确可靠,便于应用.同时本文还证实,采用夹杂均匀应变假定并利用Hill界面条件于两相体内可导出Mori-Tanaka平均场近似.     

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...     

非金属纤维复合材料断裂研究概观

本文着重介绍当前国外非金属纤维复合材料细观断裂过程及粗观断裂理论和方法研究两个主要方面的基本动向:细观断裂研究正处于提出模型阶段,其重心在裂纹顶端亚临界损伤区的扩展、即裂纹稳定扩展阶段上,以在周围为无限大均匀介质镶嵌着裂纹顶端的局部非均质区这个模型为代表。粗观断裂研究立足于简化的复合材料模型和经典的断裂理论,把非均匀各向异性理想化为均质翼性体,把固有的三维性质理想化为二维平面问题,其中以经典断裂力学方法和经典理论与缺口理论相结合的方法最为活跃。据此,作者提出关于船用玻璃钢断裂研究的基本设想:研究玻璃钢在海水介质下的断裂过程以及影响该过程的材料工艺、界面粘结等因素,从而找出提高其韧性的方法。     

先驱体浸渍-裂解SiC界面改性涂层对气相渗硅3D-C_f/SiC复合材料力学性能的影响

界面改性涂层对调节复合材料的力学性能起到重要作用。特别是在气相渗硅(GSI)制备C_f/SiC复合材料时,合适的界面改性涂层一方面保护C纤维不受Si反应侵蚀,另一方面调节C纤维和SiC基体的界面结合状况。通过在3D-C纤维预制件中制备先驱体浸渍-裂解(PIP)SiC涂层来进行界面改性,研究了PIP-SiC涂层对GSI C_f/SiC复合材料力学性能的影响。结果表明:无涂层改性的GSI C_f/SiC复合材料力学性能较差,呈现脆性断裂特征,其弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性分别为87.6 MPa、56.9GPa和2.1 MPa·m~(1/2)。具有PIP-SiC界面改性涂层的C_f/SiC复合材料力学性能得到改善,PIP-SiC涂层改性后,GSI C_f/SiC复合材料的弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性随着PIP-SiC周期数的增加而降低,PIP-SiC为1个周期制备的GSI C_f/SiC复合材料的力学性能最高,其弯曲强度、弯曲模量、断裂韧性分别为185.2 MPa、91.1GPa和5.5 MPa·m~(1/2)。PIP-SiC界面改性涂层的作用机制主要体现在载荷传递和"阻挡"Si的侵蚀2个方面。     

涂层-纤维增强磁电弹性材料的变分渐近细观力学模型

涂层可对纤维起到表面改性及调节界面残余应力的作用,对宏观性能有重要的影响。为准确预测多场环境下涂层-纤维增强磁电弹性（MEE）材料的有效属性和局部场分布,基于变分渐近理论建立均匀化细观力学模型。从非均匀连续介质的总电磁焓入手,利用材料细观尺度远小于宏观尺度的特征,将多物理场下细观力学建模转换为约束条件下总电磁焓的最小化问题。为分析工程应用中智能材料的涂层-纤维细观结构,采用有限元技术实现该模型的数值模拟。通过与有限元结果的对比分析表明：构建的模型可准确预测涂层-纤维增强MEE材料的多物理场行为,不同厚度和刚度的涂层对应力集中和有效属性有较大的影响,同时揭示了许多独特的电-磁交互现象,为预测和优化涂层-纤维增强MEE材料的性能提供有益的参考。     

多铁性非均匀空心层合柱圆弧界面的反平面断裂分析

讨论反平面载荷作用下多铁性非均匀空心层合柱的圆弧界面裂纹问题,层合柱由梯度铁电层和梯度铁磁层粘接而成,界面处存在圆弧型裂纹。采用分离变量和Cauchy核奇异积分方程方法求解该断裂问题。通过讨论断裂参数的数值解,分析了梯度非均匀参数、几何与材料参数变动等对应力强度因子的影响。     

涂层界面刚度的超声数值仿真检测

针对涂层结合界面刚度在非破坏条件下难以精确测量的问题,提出了一种超声检测特征参量表征刚度系数的方法。利用声波在n层各向同性介质中的反射、透射原理,结合界面的弹簧模型,建立了多层介质界面刚度系数的超声检测数学模型。基体选用钢、铸铁、铝合金,表面选用不同喷涂工艺得到的Al2O3陶瓷涂层,获得了不同界面刚度系数的超声反射频谱。仿真结果表明:分离界面和理想界面时,谐振频率都具有周期性,但周期大小不同;弱结合界面时,随着界面的刚度系数逐渐增加,谐振频率逐渐增多,这些谐振频率均向高频方向移动。与频率较高处相比,频率较低处的谐振频率随着刚度系数的增加向高频移动的速度更快。因此建立了第一个谐振频率与刚度系数之间的关系。在同一刚度系数下,由谐振频率与材料的特性阻抗关系获得如下规律:当涂层材料不变时,谐振频率随着基体特性阻抗的增大而增大;当基体材料不变时,谐振频率随着涂层特性阻抗的增大而减小。给出了以指数函数形式拟合的刚度系数与谐振频率的变化曲线。通过对该指数函数参数与材料特性阻抗之间关系的分析,获得了弱界面时谐振频率与刚度系数和材料特性阻抗三者之间的函数表达式。该方法为涂层复合材料弱界面的超声检测提供了理论支持。     

金属基复合材料中增强纤维表面涂层研究现状

增强纤维与基体间的界面对金属基复合材料的性质起着重要的作用,纤维表面涂层法是解决纤维增强金属基复合材料界面问题的有效途径之一。针对纤维表面涂层的选取原则、分类及制备工艺,综述了金属基复合材料的界面稳定性及综合性能的影响。     

钛基复合材料及其制备技术研究进展

综述了钛基复合材料及其制备技术,重点介绍了纤维增强钛基复合材料(FTMCs)和颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)的制备技术,分析了各种制备技术的优缺点.研究表明:纤维涂层法具有纤维分布均匀,纤维与界面反应小,复合材料性能优异等优点,是一种很有前景的FTMCs的制备技术.原位合成工艺制备的PTMCs避免了界面反应,界面清洁、结合强度高,可以明显提高PTMCs的力学性能.     

镶嵌结构界面金刚石涂层研究进展

对平面结构和镶嵌结构界面金刚石涂层的界面结构特点、受弯曲应力应变时的失效方式进行了分析,指出镶嵌结构界面金刚石涂层是提高膜/基体结合力的有效方法;综述了镶嵌结构界面金刚石涂层的国内外研究现状,并指出了今后镶嵌结构界面金刚石涂层的发展方向。     

SiC纤维增强钛基复合材料的界面改性研究现状

针对SiC纤维增强Ti基复合材料的界面反应问题,综述了国内外涂层法界面改性的研究现状,主要包括各种单涂层法、双涂层或复合涂层法及其对复合材料界面和力学性能的影响,指出了其存在的问题或不足,并预测了今后的发展趋势。     

双周期电磁弹性纤维增强复合材料的纵向剪切问题

利用等效夹杂法并结合双 (准) 周期解析函数理论,为双周期电磁弹性圆截面纤维复合材料的纵向剪切问题发展了实用有效的解析方法,获得了全场的级数解,给出了应力、电位移和磁感应强度的显式结果。利用数值算例讨论了该类非均匀材料微结构对其电磁弹性性能的影响。本文方法为电磁弹性复合材料的性能分析和微结构设计提供了一个实用有效的计算工具。      

纤维涂层法制备SiCf/Cu复合材料及其性能分析

为研究纤维涂层法制备SiCf/Cu复合材料的性能特点,通过磁控溅射法先后将Ti6Al4V界面改性层和基体Cu涂层涂覆到SiC纤维表面,并通过真空热压法将被涂覆的纤维制备成SiCf/Cu复合材料.对Ti6Al4V涂层、Cu涂层以及复合材料进行了微观分析,并测试了复合材料的拉伸强度.研究表明,复合材料的Cu基体由致密而细小的晶粒组成;Ti6Al4V提高了纤维/基体界面结合强度,复合材料轴向抗拉强度高达500 MPa,界面脱粘主要发生在纤维表面的碳涂层与纤维之间.