单向碳/碳复合材料高温疲劳试验研究

为了研究单向碳/碳的高温疲劳特性,从疲劳损伤力学出发,提出了考虑温度、氧化速率的碳/碳复合材料剩余刚度、剩余强度模型,并开展了碳/碳复合材料[0]16单向板试验件在室温、有涂层700℃和无涂层700℃的拉/拉疲劳试验和剩余强度试验。试验结果表明:单向碳/碳复合材料的剩余刚度曲线呈倒"S"形,材料的刚度退化存在三个阶段;单向碳/碳复合材料在室温和有抗氧化涂层700℃的疲劳加载初期和末期存在刚度突降,中期的刚度无明显退化;单向碳/碳复合材料在室温的疲劳刚度退化小于10%,而有抗氧化涂层单向碳/碳复合材料700℃的刚度退化超过30%;无抗氧化涂层单向碳/碳复合材料在疲劳中期存在明显刚度退化,末期无刚度突降。模型的拟合结果表明:复合材料高温剩余刚度、剩余强度模型能够很好地预测单向碳/碳复合材料在室温和700℃的剩余刚度、剩余强度变化。     

碳/碳复合材料室温和700 ℃面内剪切疲劳试验

为了研究高温环境碳/碳复合材料面内剪切疲劳特性,以含防氧化涂层的[±45] 4S 铺层碳/碳复合材料为研究对象,开展了 室温和700 ℃下的拉/拉疲劳试验。结果表明：碳/碳复合材料面内剪切剩余刚度变化呈横向的“S”形,对比室温环境,在700 ℃下 碳/碳复合材料面内剪切疲劳在中期损伤时的刚度降低趋势更为明显,在室温时发生疲劳断裂的剩余刚度为初始刚度的82%,而 在700 ℃下则降低至初始刚度的68%;在室温环境下碳/碳复合材料在33%和66%循环数后的面内剪切剩余强度分别为初始强度 的95.20%和85.70%,当温度升高为700 ℃时,分别为96.43%和85.59%。基于损伤因子的刚度和强度表征,考虑温度、应力水平的 影响,建立了碳/碳复合材料剩余刚度、剩余强度模型,较好地拟合了试验数据,高精度地获得了室温和700 ℃下碳/碳复合材料面 内剪切疲劳剩余刚度、剩余强度理论曲线,为后续复杂碳/碳复合材料结构件疲劳寿命预测提供了重要数据。     

由单向层压板偏轴拉伸S-N曲线估算面内剪切S-N曲线的方法

基于单向偏轴复合材料层压板的疲劳失效机理,提出了采用Hashin疲劳失效准则从单向层压板偏轴拉伸S-N曲线估算复合材料面内剪切疲劳S-N曲线的方法,结合纵向/横向S-N曲线和估算得到的剪切疲劳S-N曲线,可以预测任意角度偏轴层压板的S-N曲线。用4种不同材料的层压板疲劳试验数据对此方法进行验证,发现对于同种材料从不同角度偏轴层压板的疲劳数据中估算得到的剪切S-N数据具有很好的一致性,结合估算的剪切S-N曲线和纵向/横向S-N曲线预测得到的不同角度偏轴层压板的S-N曲线与试验数据吻合很好。     

疲劳载荷下单向陶瓷基复合材料界面摩擦力识别

为了确定疲劳加载过程中不同循环数下界面摩擦力的大小,对单向陶瓷基复合材料(CMCs)的疲劳迟滞行为进行了研究,提出了单向CMCs疲劳载荷下界面摩擦力识别方法。基于剪滞模型,确定了疲劳峰值和谷值应力下纤维应力分布。并基于数形结合的方法推导了迟滞环割线模量的理论值与界面摩擦力之间的函数关系。将迟滞环割线模量的实验值与理论值进行比较,识别了不同循环数下界面摩擦力的大小。结果表明,在前1000个循环内,界面摩擦力从9.89MPa 减小为5.28MPa,并在随后的循环内保持近似不变,说明疲劳过程中界面磨损主要发生前1000个循环内。     

泡沫碳/相变材料复合体研究进展

介绍了高导热泡沫碳/相变材料复合体应用于热管理系统的研究进展.主要阐述了泡沫碳/石蜡复合相变热管理系统、泡沫碳/硝酸锂相变复合材料、基于泡沫碳/相变复合材料一体化蒸发腔——热能贮存(VCTES)系统的热管理系统应用研究进展,并对泡沫碳/相变复合材料的应用进行了介绍.     

PBO纤维缠绕复合材料的初步应用研究

分别进行了PBO纤维缠绕成型的单向复合材料力学性能试验和150mm压力容器试验,与Kevlar-49和F-12纤维的单向复合材料力学性能及150mm压力容器性能进行了对比,初步的应用研究结果表明,缠绕成型的PBO/环氧150mm压力容器的容器特性系数PV/W和纤维强度转化率都达到最高,其值分别达到了60km和90%,但其容器的环向变形较F-12纤维复合材料容器的大。     

单向Ｃ／Ｃ复合材料中碳纤维和热解碳微结构的ＸＲＤ法分析

为了研究单向C/C复合材料中碳纤维和热解碳的微结构特征,采用X射线衍射仪对T300碳纤维/热解碳单向复合材料进行了表征,并通过XRD谱峰的分峰处理和复合材料衍射峰与碳纤维衍射峰的峰减处理分析了碳纤维和热解碳的微结构特征.研究发现,分峰处理可以有效地将复合材料衍射峰中反映碳纤维和热解碳结构的衍射信号分离,结合对它们衍射峰的特征参数分别进行分析,可以得到碳纤维和热解碳的微晶参数.通过对比复合材料中碳纤维与自由态碳纤维的微晶参数可以发现,由于复合材料中碳纤维经受应力石墨化作用,复合态碳纤维的结构比自由态碳纤维更易于向类石墨结构发育;峰减处理法对于分析002衍射峰比较有效,获得的热解碳的d002和Lc与分峰处理获得的数据相当,但由于10峰受背景峰信号的影响较大,峰减处理法对10峰的分析存在较大误差,获得的La与分峰处理获得的数据偏差较大.     

F12/环氧复合材料力学性能研究

测定了Ｆ１２／环氧复合材料的基本力学性能,并比较了Ｆ１２纤维在单向板、强力环及薄壁容器中的纤维强度转化率。实验结果表明,Ｆ１２／环氧单向复合材料与其ＮＯＬ环的拉伸强度相近,而薄壁容器中的复合强度约为单向拉伸强度的６０％,但三种复合材料的纤维强度转化率相近,约为（７０．１±１．６）％。     

碳/ 环氧复合材料层间增韧研究进展

综述了碳/环氧复合材料层间增韧的研究现状与发展趋势,着重对碳/环氧复合材料层间增韧方法与性能的关系进行了介绍.     

碳／碳复合材料的高温持久性能测试及分析

为了研究碳／碳复合材料作为高温结构材料的高温持久性能，本文用化学气相沉积（ＣＶＤ）法制备了Ｔ３００碳纤维增强热解碳的单向碳／碳复合材料，并用特殊设计的设备测定了该材料在２０００℃、２１００℃高温下的断裂寿命，结果高于室温。     

纤维自动铺放工艺制备单向罐外固化复合材料的拉-拉疲劳性能

纤维自动铺放工艺（AFP）制备罐外固化（OOA）复合材料中难以避免出现铺放缺陷如缝隙（Gaps）,影响复合材料的力学和疲劳性能。选取罐外固化预浸料IM7/CYCOM5320-1,采用自动铺放工艺制备正常（NDS）和预置缺陷（DS）复合材料,探讨了铺放缺陷对0°单向罐外固化复合材料拉-拉疲劳性能的影响,建立了疲劳寿命和剩余强度衰减模型。结果表明,相比于NDS罐外固化复合材料,DS的静态拉伸强度降低5.90%,拉伸模量降低6.54%;NDS和DS复合材料的疲劳寿命均随疲劳载荷的增大而减少,DS的疲劳寿命一直低于NDS;随着疲劳载荷的增加,二者的疲劳寿命相差越大,铺放缺陷的影响也越来越明显;NDS和DS复合材料在拉-拉疲劳测试前期的力学强度均维持平稳状态,达到一定疲劳周数后力学强度明显下降;应力水平越高,铺放缺陷对罐外固化复合材料的剩余强度影响越明显,而不同应力比下,缺陷对剩余强度的影响一致。     

碳纤维复合材料短梁剪切疲劳特性

研究了碳纤维增强双马来酰亚胺复合材料的层间剪切静态与疲劳加载性质,分析了不同基体、不同铺层界面对层剪性质的影响。给出了层剪疲劳加载的S-N曲线;讨论了层间剪切损伤和增强机理,观察了微观特征。与碳/环氧复合材料相比,双马来酰亚胺基体复合材料在碳纤维和基体之间粘接良好,从而改进了纤维抗疲劳裂纹扩展的能力。     

盐雾环境对复合材料修复铝合金板疲劳性能的影响

采用单向碳/环氧复合材料补片真空袋压工艺单面修复含中心裂纹铝合金板,进行0-1700h盐雾梯度腐蚀试验,测试并对比分析了各腐蚀时间结点上试件修复前后的疲劳性能,从疲劳寿命、疲劳临界裂纹长度和Paris公式材料常数(C和m)的变化三个方面考察不同盐雾腐蚀深度对铝合金裂纹板修复前后的疲劳性能差异。结果表明:碳/环氧补片胶接修复铝合金板能大幅度提高疲劳寿命,且未经修复的裂纹板在腐蚀1700小时后疲劳寿命下降53.8%,而修复板仅为38.6%。修复板疲劳裂纹临界长度acr大于未修复裂纹板,且随盐雾腐蚀时间延长,裂纹板和修复板acr变化不大,可作准判据使用。由试验数据得到的不同腐蚀时间上试样的材料常数C和m随腐蚀时间延长而减小。利用Paris公式可较好拟合铝合金板疲劳寿命及Paris区内的疲劳裂纹扩展行为,但疲劳寿命预测值与实际值的差异由未经腐蚀时的5%左右增大到腐蚀1500h时的10%左右。     

金属裂纹板复合材料胶接修补结构裂纹扩展行为研究

为研究金属裂纹板复合材料胶接修补结构的裂纹扩展行为,进行了LY12CZ航空铝合金裂纹板碳/环氧复合材料补片胶接修复结构的疲劳性能测试试验,观察修补结构疲劳失效模式,并测量一定疲劳周次下的铝合金板的裂纹长度.建立了考虑裂纹扩展,界面脱粘两种失效模式相互耦合的三维非线性有限元分析模型,计算出不同裂纹长度对应的疲劳寿命,对修补结构的疲劳性能进行了评估,其数值计算与试验结果吻合较好.     

单向帘线增强橡胶复合材料在疲劳过程中的温升

以单向帘线增强橡胶复合材料为研究对象,利用自行建立的疲劳试验系统,研究了周期载荷作用下橡胶事材料表面温升的一般规律;讨论了实际热生成对材料疲劳行为的影响。为评价轮胎疲劳特性提供了有效的手段。     

层合板螺栓连接结构疲劳寿命预测

为了准确预测复合材料连接结构损伤的产生和扩展,基于单向板疲劳性能预测层合板螺栓连接结构疲劳寿命。用T300/BMP-316单向板试验数据对正则化疲劳寿命与剩余强度的参数进行拟合;在复合材料基体主控失效判据基础上增加纤维失效和分层失效判据,改进基于断裂韧性的失效准则判定损伤的产生和扩展;采用二级载荷疲劳寿命等效实现损伤的非线性累积,再对相应的损伤进行材料性能退化。预测结果与试验对比表明:对不同几何参数层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在5%以内,对不同应力水平下层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在10%以内,最终破坏模式及损伤区域的预测与试验结果吻合良好。     

单向C/C复合材料高温氧化环境力学性能试验

为研究高温氧化环境单向C/C复合材料力学特性,对C/C复合材料单向板开展了700 ℃和900 ℃的氧化试验以及室温、700 ℃和900 ℃的拉伸试验。结果表明:无涂层单向C/C复合材料在相同温度下,失重率随着氧化时间的增加而增大,在相同氧化时间内,温度越高,氧化失重率越大;无涂层单向C/C复合材料在700 ℃氧化4 h后失重率为83.78%,有涂层单向C/C复合材料700 ℃氧化4 h后的氧化失重率为1.17%;有涂层单向C/C复合材料在700 ℃的力学性能高于室温,室温和700 ℃的应力应变曲线均呈线性;氧化后的试验件的应力/应变曲线呈明显非线性;相同温度下,材料的力学性能随着氧化时间的增加而降低;相同时间内,温度越高,材料的拉伸强度退化的越剧烈。建立了一种考虑氧化速率的C/C复合材料高温氧化环境力学性能退化模型,拟合得到了无涂层单向C/C复合材料700 ℃和900 ℃拉伸强度随氧化时间的变化曲线,并外推计算得到了无氧化时的单向C/C复合材料700 ℃的拉伸强度,得到了良好的预测效果。      

碳/碳复合材料吸油和去油特性研究

以航空十号液压油(YH-10)为介质研究了碳/碳复合材料的吸油和去油特性,提出了其吸油机理,确定了吸油和去油过程中试环内油含量与时间关系的拟合方程。通过实验表明,在室温下碳/碳复合材料在浸油开始阶段随着时间的延长吸油率迅速上升,随后增加缓慢,最后趋于饱和并不再变化,饱和吸油率为4％左右。在去油过程中,碳/碳复合材料残油率受温度、时间和加热方式控制,而温度和加热方式是主导因素。在一定温度下,材料残油率随时间基本呈线性降低。当温度由100℃提高到150℃,残油率减小不大,而在200℃时残油率大幅度降低。200℃以上的温度是去除其油液的合适温度。微波炉加热较烘箱保温具有更好的去油效果。采用偏光显微镜和扫描电镜分析了碳/碳复合材料浸油和去油后的微观组织。     

CCF300/QY8911单向纤维增强复合材料纵向压缩性能预测

提出了一种单向纤维增强复合材料压缩性能的预测方法.该方法基于纤维增强复合材料压缩的微屈曲失效机理与纤维膝切失效机理,对CCF300/QY8911碳纤维增强复合材料单向层合板的纵向压缩性能展开研究.将纤维微屈曲失效与纤维膝切失效机理统一起来,提出一种基于两种失效机理的预测模型,很好地实现了CCF300/QY8911单向纤维增强复合材料压缩性能的预测.通过与试验数据进行比较表明:基于两种失效机理分析的CCF300/QY8911单向纤维复合材料压缩性能预测模型与试验数据符合较好,误差在5%以内.      

单向SiC/SiC复合材料拉伸行为模拟研究

理解单向SiC/SiC复合材料在拉伸过程中的损伤破坏机制对掌握SiC/SiC复合材料的力学行为有着至关重要的意义。本文构建了一个单向SiC/SiC复合材料微观二维有限元模型,基于强度判定模拟纤维随机断裂过程;基于内聚力模型模拟界面脱粘现象;特别针对基体裂纹现象,通过均匀质方法和断裂能释放率建立了基体的连续介质损伤模型。结果显示,模型成功模拟了单向SiC/SiC复合材料在拉伸过程中的微观破坏机制和宏观力学行为。基体裂纹、纤维断裂、界面脱粘这3种微观破坏机制之间共同作用、相互影响,最终造成了材料整体的失效。本文中获得的结果将有助于进一步理解单向SiC/SiC复合材料拉伸行为,有利于材料性能的提高。