石墨/铝复合材料显微组织的研究

石墨/铝复合材料具有较高的比强度和比刚度,是用于宇航领域的理想材料。 石墨/铝复合材料的显微组织将直接影响其力学性能。为了探讨石墨纤维与铝基体之间的结合机制,揭示石墨/铝复合材料显微组织与宏观力学性能之间的内在联系,有必要对石墨/铝复合材料的显微组织,尤其是石墨纤维与铝基体界面区域的显微组织进行深入的研究。     

石墨纤维增强铝复合材料

前言石墨纤维增强铝复合材料(本文简写为石墨-铝),是近十多年发展起来的一种新型高级复合材料。六十年代末,美、英、法、西德即相继开始研制以铝为基体的石墨纤维增强铝复合材料。最初几年进展缓慢,其主要技术难关有二:(1)石墨纤维与铝的润湿性差,想用类     

单向C/SiC复合材料热残余应力数值模拟研究

连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备过程中因纤维与基体线胀系数失配会产生热残余应力,从而导致纤维脱粘、基体开裂等现象,严重影响复合材料力学性能。本文针对CVI工艺制备的单向C/SiC复合材料,建立"纤维-界面-基体"单胞物理模型,基于细观力学分析方法对热残余应力分布规律进行预测,采用ABAQUS对材料制备过程进行数值模拟,揭示了界面厚度、纤维体积分数、制备温度等参数对纤维、基体热残余应力分布的影响规律,分析了热残余应力对复合材料力学性能的影响。研究结果能够为C/SiC复合材料的设计、分析及微纳力学性能试验提供理论支持。     

纤维增强铝基复合材料热残余应力细观力学模型

从复合材料内部组分的细观力学关系入手 ,建立了基底 /涂层 /纤维三层力学模型。该核型能够分析有涂层的连续纤维增强金属基复合材料在温度和机械载荷同时变化下的应力应变关系 ,并可用于计算铝基复合材料的制造热残余应力状态。算例分析表明 :涂层的物理性能对复合材料的整体力学性能有很大影响。在涂层上 ,有些残余应力分量远高于基底和纤维处的状况。涂层的弹性模量不同 ,对材料的横向应力影响最大     

石墨/环氧复合材料应力分析

采用把能产生衍射的微粒填料埋置在待测材料中的办法,就可利用χ射线衍射法来测量聚合物和增强聚合复合材料中的残余应力和作用。我们已经进行了把各种填料埋置在单轴石墨纤维/环氧复合材料中,然后测量它们的应力感应位移衍射角。χ射线测出的微粒弹性应变正比于相应的复合材料应变。与哈恩的模型相一致。结果表明应力敏感性(作用在复合材     

碳纤维/环氧树脂单向复合材料的吸湿残余应力研究

对碳纤维增强环氧树脂基(CFL/EP)单向复合材料在湿热环境下吸湿残余应力进行了研究.首先,采用ABAQUS有限元软件计算了环境温度T=37℃及T=80℃条件下随时间变化的材料中水分分布,该结果和材料吸湿实验结果吻合较好,同时也发现碳纤维随机分布模型能更好地模拟复合材料吸湿行为;随后,根据获得的水分分布对随时间变化的吸湿残余应力进行了研究.结果表明:树脂基体长时间吸湿导致的残余应力能够达到很高的水平(30MPa以上),其中纤维间距较小的基体区域以及基体和纤维界面处的应力水平明显高于其他区域,而在界面处应力值最高.这种高水平的残余应力在吸湿、脱湿循环下可能导致材料发生疲劳损伤及失效.     

固化残余应力对无人机复合材料机翼强度的影响

复合材料的力学性能与复合材料的固化过程密不可分。复合材料在固化过程中,由于树脂固化收缩、纤维与基体之间的热膨胀系数不匹配等因素,会产生固化残余应力与固化变形。该固化残余应力会影响复合材料结构的力学性能,甚至会引起分层、基体开裂等严重缺陷。因此,有必要研究固化残余应力对复合材料结构强度的影响。针对某型复合材料机翼,首先利用ABAQUS有限元分析软件进行二次开发,建立了一套基于各向异性黏弹性本构模型的复合材料固化过程分析方法,计算所得固化变形量与试验值误差小于8.24%。其次,采用Hashin强度准则,建立了全复合材料无人机机翼的强度分析有限元模型,机翼失效载荷的预测值相对试验值误差为9.85%。随后,将复合材料固化过程中产生的残余应力作为初始应力条件添加到强度分析模型中,通过有限元方法研究残余应力对全复合材料无人机机翼强度的影响。为研究不同固化参数产生的固化残余应力对结构强度的影响,在合理范围内提出了另外2种固化工艺曲线。模拟结果表明：对于该全复合材料无人机机翼结构而言,固化残余应力导致强度下降,使其强度降低了3.52%,且较优的固化工艺参数下的结构强度比原始固化工艺参数下的结构强度高1...     

碳-铝复合材料低应力破坏原因探讨

本文主要就碳-铝复合材料的纵向抗拉强度低于混合律估算值,纤维的增强作用不能充分发挥,发生低应力破坏的原因进行探讨。研究了M40/LD_2,T300/LD_2,上碳/LD_2等碳-铝复合材料经液氮深冷—150℃冷热循环处理和不同温度加热真空处理,产生不同程度的界面反应和界面状态所引起抗拉强度的变化。分析探讨碳-铝复合材料发生低应力破坏的原因。 试验结果表明碳-铝复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应,造成碳纤维损伤,生成界面反应层,使纤维与铝基体的界面结合增强。过强的界面结合使裂纹易于向碳纤维内部扩展,造成脆断。界面结合强弱对碳-铝复合材料的破坏过程和抗拉强度有重要影响,控制碳纤维与铝基体的界面结合是获得高性能碳-铝复合材料的关键。通过适当的处理改善界面结合状态可使M40/LD_2复合材料抗拉强度提高25～40％。     

3D-Cf / Mg 复合材料的热残余应力研究

采用随动硬化有限元模型,研究了三维碳纤维增强镁基复合材料(3D-Cf/Mg)基体热残余应力的大小、分布以及不同工艺处理对热残余应力的影响。同时,对复合材料进行了高、低温处理,利用XRD定性分析了处理前后复合材料基体热残余应力的变化。计算结果表明:经过-196℃低温处理后,复合材料基体的平均Mises热残余应力由169.06 MPa减小至55.29 MPa;高温处理后,基体平均热残余应力几乎不变。该结果与实验结果吻合,证明了低温处理能明显降低复合材料基体的热残余应力。     

不同基体形式对碳-碳复合材料烧蚀性能的影响

前言碳-碳复合材料由于内部有高强度碳纤维的骨架增强,使这种石墨材料在受到热冲击时能阻止裂缝的扩展,因此,作为防热材料应用的碳-碳复合材料,其烧蚀性能与基体形式有着非常密切的联系。美国超高温公司曾研究了纤维随机取向的碳毡、多股丝编织的三维结构以及平纹碳布,石墨布层状基体对复合材料性能的影响。指出,基体中孔隙     

钛基复合材料压气机叶环应力的数值模拟

采用有限元分析方法,建立三维循环对称模型,对连续Si C纤维增强钛基复合材料压气机叶环的应力进行了研究。考虑周围基体包套和中心复合材料的热残余应力,重点分析了叶环尺寸、温度及基体材料性能对叶环应力分布的影响。结果表明,当叶环直径较小、工作温度较低时,叶环的最大环向应力点在内径;随着直径增大、工作温度升高,最大环向应力点出现在中心复合材料靠近内径一侧。基体材料的弹性模量、热膨胀系数和密度,对叶环的应力分布有重要影响,应尽量选择密度低、弹性模量和热膨胀系数较大的钛合金作为基体材料。     

非连续增强金属基复合材料的热残余应力

详细地论述了非连续增强金属基复合材料热残余应力的产生、松弛机理以及热残余应力对材料组织和性能的影响，并预测了今后的发展方向。指出增强体与基体的线膨胀系数之差、界面结合和温度变化是产生热残余应力的必要条件，非连续增强金属基复合材料的热残余应力的松弛将使得金属基复合材料基体内的位错密度增加，热残余应力使复合材料的拉伸强度降低。     

高可靠度TC17基复合材料叶环破裂转速预测技术研究

为了建立安全可靠预测TC17基复合材料叶环破裂转速的方法,尽快实现其工程应用,开展了SiC连续纤维增强TC17基复合材料叶环结构破裂转速预测技术研究。测定了复合材料叶环成型过程所导致的TC17基体力学性能变化规律,仿真分析了由于热不匹配导致的热残余应力对复合材料叶环强度的影响。考虑复合材料试棒和叶环结构的差异,建立了基于复合材料试棒拉伸强度极限的高可靠度复合材料叶环破裂转速预估准则。完成了复合材料叶环强度试验件设计、制备和试验验证,并对试验件进行了断口分析。结果表明：复合材料叶环成型后,TC17基体合金本构模型将发生改变,其屈服和拉伸强度都有较大程度的下降,强度分析时应予以考虑。复合材料叶环成型工艺所导致的叶环热残余应力使得复合材料增强芯的同一半径处的周向应力沿轴向产生了梯度,其周向和径向最大应力均有明显降低,还导致叶环残余变形最大位置发生了变化。在旋转试验过程中,应变实测值与仿真结果相近。断口分析结果证明本文研究的复合材料叶环结构实际破裂模式为周向破裂,与所建立的仿真方法和评估准则预测的破裂模式一致,且破裂转速的预测精度较高,并保证了设计的安全性,可满足工程应用需求。     

纤维增强钛基复合材料横向拉伸性能数值模拟

为研究SiC/Ti-6AL-4V纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的力学特性,建立了三维细观有限元模型;利用ANSYS软件接触单元和内聚力材料模型,对其制备残余热应力及横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效进行了数值模拟。结果表明:考虑界面材料属性的细观力学有限元单胞模型,可较好地模拟纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效;横向拉伸载荷下,复合材料基体细观结构内部应力分布不均导致基体材料利用率下降,是造成复合材料横向强度低于基体材料强度的主要原因。     

单向玻璃纤维增强树脂基体复合材料拉伸失效机理

应用ANSYS有限元商用软件,建立单向玻璃纤维增强树脂基体复合材料轴对称平面Whitney和Riley分析模型,利用非线性有限元分析方法,研究该类复合材料纤维长径比变化对材料整体力学行为的影响,同时研究该类复合材料中纤维与基体界面结合强度分布形式对材料破坏方式的影响。研究表明:纤维在基体中的埋深长度与基体对纤维包裹厚度应保持在一个最佳范围,高过一定值后增强作用几乎不再增加,过低又不能保证复合材料足够力学性能;随着纤维与基体上端界面结合强度增加,纤维界面上端正应力绝对值出现最大值,并且纤维界面上下端正应力转化为压应力,因此材料的断裂位置为上端加持部位附近,下端加持部位附近没有出现界面脱粘现象;随着纤维与基体下端界面结合强度的增加,纤维界面下端正应力绝对值出现最大值,并且纤维界面上下端正应力转化为分离力,因此材料断裂位置为材料下端加持部位附近,上端加持部位附近出现纤维与基体脱粘现象。     

连续碳化硅束丝增强铝复合丝室温与300℃下的疲劳特性

本文利用超声液相法制备的ＳｉＣ束丝纤维增强Ｌ２工业纯铝复合丝为试样，对这种复合材料的拉拉应力疲劳性能进行了试验和分析。试验得出其疲劳抗力随着应力循环周次的增加会迅速下降，在循环周次为１０＾６次时其疲劳循环最大应力已降至静拉强度的４０％左右，约变４５０ＭＰａ。试验中发现应力循环过程中，试样能被拉长，基体铝也存在循环硬化现象，因此提高基体的力学性能将是提高其疲劳性能的有效途径，在３００℃的高温下进行了     

硼/铝复合材料的力学性能与界面

本文研究热压工艺对硼纤维以及硼/铝复合材料强度的影响,并探讨纤维与基体间的结合模式。为此目的,用腐刻法从硼/铝复合材料中提取硼纤维,制得不同状态下的硼纤维强度的频率分布图。用X射线衍射与电子探针技术,检测界面附近的组成及元素分布。结果表明,碳化硼(B_4C)涂层有效地阻止硼—铝间的界面反应:硼/铝复合材料的抗拉强度随着界面结合状态的改善而提高;在复合过程中造成纤维降解的损伤,通常发生在纤维局部存在缺陷的地区。     

湿热环境对石墨/铝复合材料的影响

一、前言 由于铝与石墨的电极电位的不同以及界面存在易水解反应的产物Al₄C₃介质环境将对石墨/铝复合材料的性能,结构等发生影响。在海水介质、NaCl（3.5％）溶液、蒸馏水及海洋环境中已进行了不少工作。本文旨在研究石墨/铝复合材料在湿热环境     

复合材料层板固化全过程残余应变/应力的数值模拟

采用商业软件对带有铝板的复合材料层板固化全过程残余应变/应力进行数值模拟计算。在固化过程的模拟中,应用有限元法计算复合材料层板热-化学模型,有限差分法计算固化动力学模型,通过设置较小的时间步实现求解两个模型强耦合的关系。在残余应力数值模拟中,化学收缩引起的应变在每一计算步以初始应变施加在复合材料结构上。基于以上技术,对带有铝合金的复合材料层板固化全过程残余应变/应力演化进行数值模拟,并分析纤维方向和垂直纤维方向复合材料的残余应变/应力演化历程。通过与试验中层板曲率的比较,验证文中模型计算的准确性。     

电子封装铝基复合材料线膨胀研究

本文阐述了电子封装铝基复合材料的制备过程，测试出铝基复合材料线膨胀系数。发现经不同冷却处理或者测试不同的方法，其线膨胀都不一样，根据残余应力和择优取向理论解释了这种现象。