C/SiC复合材料的氧化行为仿真分析方法研究

对C/SiC复合材料高温氧化过程的准确预示，是提升C/SiC复合材料热结构设计水平的关键技术之一。本文结合C/SiC复合材料氧化机理、多孔介质流动理论和Fick扩散定律，得到了不同温度作用下C/SiC复合材料的氧化动力学方程并建立了氧化失重的数学表达式。开发了氧化扩展UEL子程序，对典型C/SiC复合材料试件氧化过程中氧、碳元素的分布和氧化扩展过程进行了分析，分析结果显示不同温度下的氧化失重与试验数据可以很好吻合。     

SiCP/Al复合材料脉冲氩弧焊接研究

研究在脉冲氩弧焊条件下铝基复合材料SiCp／2124Al的可焊性。通过正确选择填充材料和在焊接过程中加入微量脉冲，大大减弱了增强体SiC颗粒与基体Al之间的界面反应。拉伸实验和显微硬度测试表明，接头质量良好，与母材强度相比，接头的抗拉强度未见有大幅度下降；金相组织观察显示，焊缝组织致密、无夹杂和裂纹等缺陷。对接头进行X射线衍射相结构分析和拉伸断口扫描电镜观察等微观分析，并从热力学角度探讨焊接过程中抑制SiC／Al界面反应发生的机理，提出了在氩弧焊条件下获得高质量SiCp／Al焊接接头应采取的措施。     

界面韧性对C/SiC材料拉伸强度影响分析

C/SiC复合材料的损伤失效行为与内部微细观组分的原位力学性能的密切相关。本文通过多尺度建模结合渐进损伤分析，研究了微观界面层断裂韧性对C/SiC宏观拉伸强度的影响。微观渐进损伤分析表明不同界面层韧性可以产生两种损伤扩展模式，显著改变纤维束横向拉伸和轴向剪切强度值；基于三维Hashin准则的细观损伤分析进一步表明会对C/SiC的宏观拉伸强度产生8.2%的影响。本文的结果可以为C/SiC复合材料失效分析及优化设计提供支撑。     

平纹编织C/SiC复合材料热残余应力的模拟和分析

通过对平纹编织C/SiC复合材料SEM照片精确测量,获取了纤维束的几何参数,并以四参数正弦函数为拟合方程,得到了RVE的建模曲线方程,并建立了RVE的三维有限元模型。采用间接耦合的降温法,模拟计算了C/SiC复合材料的轴向热残余应力,其计算结果与理论值接近;并分析了制备温度以及纤维体积含量对热残余应力的影响。     

三维编织复合材料拉抻性能研究

三维编织复合材料作为一种高级的复合材料，抗分层、耐冲击能力强。本文用真空辅助ＲＴＭ（树脂传递模塑）工艺合成了四步法３×２编织的复合材料试件，通过实验测定了三维编织复合材料未切割、受切割和钻孔试件的拉伸性能，对比了受切割和未切割纤维对于试件侧边拉伸应变的影响，测定了孔边应力集中系数，并且讨论了影响四步法复合材料拉伸性能的因素和断裂失效的原因。结果表明，随着编织角的增大，拉抻模量和拉伸强度减小；受切割和钻孔的试件拉伸性能低于未加工试件的性能；四步法复合材料的孔边应力集中系数比层板材料和金属材料的低；三维编织复合材料的拉伸失效主要是由纤维断裂以及纤维拉拔造成的。     

考虑材料初始损伤随机特性的C/SiC蠕变寿命估计

C/SiC复合材料作为航空发动机材料,长期服役于高温氧化环境,蠕变断裂是其主要失效形式。材料蠕变行为和材料内部结构有很大关系,由于复合材料存在初始缺陷,在服役时会导致氧化气氛扩散,造成材料蠕变断裂失效。但是,由于复合材料制备工艺的不稳定性,每个试件存在差异较大的初始损伤,在C/SiC蠕变断裂寿命估计时应该充分考虑初始损伤不确定性给材料带来的随机特性。本文通过统计学分析和蠕变损伤机理结合,在C/SiC高温蠕变实验的基础上,以位移作为主控变量,研究蠕变位移规律,建立了考虑材料随机特性的C/SiC蠕变寿命估计模型。     

2D-C/SiC复合材料螺栓连接结构可靠性分析

耐高温C/SiC陶瓷基复合材料因加工制造的复杂工艺,其性能参数存在明显的分散性。为了提高复合材料螺栓连接结构的可靠性建模精度,采用渐进损伤分析方法进行强度分析,采用不含交叉项二次响应面函数进行可靠性分析。采用改进的Hashin失效准则与Ye分层失效准则进行渐进损伤分析,分别对结构纤维与基体采用不同的刚度损伤模型,通过有限元仿真获得螺栓连接结构的拉伸极限承载能力,与试验值之间相对误差较小。将2D-C/SiC复合材料的刚度性能参数与强度参数作为随机变量,采用响应面法拟合结构功能函数,通过分析得到结构在拉伸载荷下的失效概率函数,并分析了各材料力学性能参数的灵敏度,发现面内剪切强度对结构可靠性影响较大。     

三维四向编织复合材料疲劳性能分析

建立基于八边形纤维束截面假设的三维四向编织复合材料单胞模型。基于单向复合材料疲劳剩余刚度和剩余强度模型,结合组分材料的疲劳失效判据和性能突降方法,建立了三维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型。利用ABAQUS有限元软件UMAT开发了疲劳寿命预测与渐进损伤分析程序,研究了三维四向编织复合材料在不同应力水平下的损伤扩展过程和疲劳寿命。研究表明,疲劳损伤是从纤维束之间的接触面的单元开始发生损伤破坏,然后向纤维束表面以及纤维束内部开始扩散,并且损伤扩展速率随着应力水平的提高而加快。本文研究为预测三维四向编织复合材料的疲劳寿命提供了一种途径。     

基于节点插值子胞模型的纺织复合材料力学性能预测(英文)

节点插值子胞模型是一种通过虚位移原理和代表性体积单元建立宏观和细观应变之间关系的细观力学方法。采用节点插值子胞模型进行二维纺织纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能预测。分别建立二维平纹和交叉编织复合材料单胞的细观结构分析模型,分别采用三次B样条和正弦曲线来模拟经纱和纬纱的截面和弯曲形式,并根据纤维和基体中的孔隙含量对其模量进行折减,采用节点插值子胞模型进行宏观力学性能预测,并分析了细观结构参数和纤维体积含量对材料力学性能的影响。节点插值子胞模型的预测结果与有限元法比较表明:采用节点插值子胞模型进行二维平纹和交叉编织陶瓷基复合材料力学性能预测的有效性和可行性。     

湿热环境下缝合层压板的拉伸和剪切性能

本文通过复合材料层压板拉伸和剪切实验,研究了常温和湿热环境下缝合层压板的性能。根据试验数据及观察结果,探讨了缝合层压板的性能下降的原因及损伤破坏机理。试验及分析结果表明湿热和缝纫形成的富树脂区影响是层压板高温湿热环境性能下降的两个主要原因。     

混凝土结构中混杂纤维增强筋拉伸性能实验研究

采用实验的方法研究了夹芯混杂和分散混杂两种混杂方式的碳/玻(C/G)混杂纤维增强筋的拉伸性能,给出了实验件制作和实验过程,测定了不同混杂比例筋材的拉伸模量、强度和断裂伸长率。实验结果表明:模量符合混合率,强度存在两种破坏模式,断裂伸长率呈现混杂效应,夹芯混杂筋材性能总体高于分散混杂。同时探讨了拉伸性能的预测方法,结合实验数据对强度预测值进行了修正。本文的研究结果可用于混杂筋材的初步设计。     

钎焊气氛对金刚石磨粒与钎料界面微观结构的影响

在真空和Ar气两种不同的氛围中,采用NiCr合金钎料,进行了炉中钎焊金刚石磨粒的试验研究。运用扫描电镜（SEM）、X-射线能谱仪（EDS）和X-射线衍射结构研究了不同钎焊气氛对NiCr合金钎料成分和金刚石磨粒与钎料界面微观结构的影响。结果表明：（1）在不同的钎焊气氛下,由于氧分压的不同导致了NiCr合金钎料的成分也不相同。在Ar气保护气氛下的炉中钎焊金刚石试样表面有B2O3生成。（2）在不同钎焊气氛中,在金刚石磨粒与合金钎料界面生成物都主要为铬的碳化物。但生成物表面形貌不同,在真空炉中焊后的金刚石磨粒表面生成物成放射状生长,而在Ar气保护炉中钎焊后的金刚石磨粒表面生成物如杂草一样生长且生成物组织较真空炉中细小。     

碳/锌复合材料的制备与性能研究

本文采用真空液态渗透法制备了碳/锌复合材料。拉伸和磨损试验表明:碳纤维的加入,明显提高了锌以及锌合金的抗拉强度,改善了锌合金的摩擦磨损特性。用S-570扫描电镜观察了碳/锌复合材料的拉伸和冲击断口,以及碳/锌复合材料的磨损表面,并用X-射线能谱仪对断口进行了分析。此外,本文还对碳/锌复合材料的纵向拉伸性能、纵向冲击性能以及摩擦磨损性能的影响因素进行了讨论。     

纤维增强韧性基体复合材料界面损伤分析

用基于内聚力的界面模型分析了纤维增强韧性基体复合材料的界面损伤,研究了连续纤维增强复合材料受横向荷载时,诸如纤维排布方式、纤维体积占有率以及纤维和机体模量比等细观参数对界面损伤和材料拉伸强度的影响.研究发现,当纤维体积占有率和纤维模量提高,以及纤维按四方排布时,虽然能增加复合材料刚度,但纤维与基体的界面更容易损伤.当界面脱粘现象存在时,复合材料的拉伸强度主要由界面强度决定.     

张力场对复合材料层板组合梁连接强度的影响

基于纯剪切方板后屈曲阶段边界受力分析,设计了考虑蒙皮支持刚度的复合材料"工"形层板组合梁试验件,采用对角拉伸加载方式,考察了腹板后屈曲张力场对层板组合梁连接强度的影响,并采用基于黏聚区模型的有限元方法对试验进行了仿真分析,研究了界面的失效过程与机理。研究表明:腹板后屈曲阶段形成的张力场在连接界面上产生附加的剥离载荷,使界面呈现Ⅰ/Ⅱ型复合受力状态,加速界面破坏;考虑蒙皮支持刚度的剪切试验在腹板发生失稳后使蒙皮产生法向变形,一定程度上减弱了界面剥离载荷的增加,梁结构的破坏载荷略有提高;试验的破坏模式表现为腹板的纤维压缩破坏和缘条-蒙皮界面的Ⅰ/Ⅱ型复合断裂;黏聚区模型能够很好地模拟复合材料界面的破坏,仿真与试验基本一致。     

正交铺设陶瓷基复合材料基体裂纹演化研究(英文)

采用能量平衡法对正交铺设陶瓷基复合材料在单轴拉伸载荷作用下的基体裂纹演化进行了研究。在拉伸载荷的作用下,正交铺设陶瓷基复合材料有5种开裂模式。开裂模式3包括横向开裂、基体开裂和纤维/基体界面脱粘;开裂模式5只包括基体开裂和纤维/基体界面脱粘。本文得到了两条横向裂纹之间出现开裂模式3和5的初始基体开裂应力;并得到了开裂模式3多裂纹演化的初始基体开裂应力。讨论了铺层厚度、纤维体积含量、纤维/基体界面剪应力和界面脱粘能对基体开裂应力和基体裂纹演化的影响。结果表明,对于SiC/CAS材料而言,两条横向裂纹之间首先出现开裂模式3。     

不同温度和应变速率下7022铝合金流变应力行为

通过在293-773 K的温度范围内和应变速率为0.001-0.1 s-1下对7022铝合金薄板进行温拉伸试验,研究了7022铝合金温拉伸性能,以及该合金在升温条件下流变应力与变形温度和应变速率之间的关系.并利用改进了的Hooke law和Grosman方程建立了7022铝合金在温拉伸时应力-应变本构模型.研究结果表明:7022铝合金的流变应力随温度的升高而降低,随应变速率的升高而升高;温拉伸试样的延伸率随变形温度的升高而升高,随应变速率的增大而减小.     

缝合复合材料层板面内力学性能试验与分析

研究多种缝合方向、缝合密度对复合材料层板面内拉、压、剪等基本力学性能和典型失效模式的影响，并结合理论模型分析缝合参数影响层板力学性能的机理。结果表明，缝合对层板面内性能有一定影响，缝合密度的增加导致层板面内性能下降，缝合方向对层板性能影响较大；试件破坏位于缝合针孔处；缝合造成的纤维弯曲和纤维断裂引起了较强的应力集中，是缝合影响层板力学性能的主要因素。     

铝氢脆破坏微观机制的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟了铝单晶、双晶及其含氢模型在拉伸条件下的力学特性。根据模拟结果,讨论了氢导致铝材料脆化破坏的微观机理。研究表明:铝单晶、双晶中的氢降低了铝的抗拉强度,且力学性能随氢含量的升高而降低;应力条件下晶体内部的氢原子会产生偏聚和富集,在富集处铝原子更易发生位错,产生空穴,诱发脆断;和同等条件下的铝单晶相比,铝双晶对氢脆破坏更为敏感。     

不同直径纤维混合玻璃纤维纸的保温隔音性能

玻璃纤维纸是一种优良的阻燃保温隔音过滤材料,在高铁、航空航天和航海领域有广泛的应用。本文通过湿法打浆工艺制备不同纤维混合的玻璃纤维纸,重点探究其孔径分布、透气性能、保温性能以及隔音性能。结果表明:随着玻璃纤维纸中细纤维含量的增加,平均孔径和透气率先减小后增加;随着玻璃纤维纸中细纤维含量的增加,纸张的导热系数先降低后升高,隔音量先升高后降低。纤维配比为粗纤维50%+细纤维50%,玻璃纤维纸的保温隔音性能最佳。