复合材料C型柱轴压失效分析的层合壳建模方法

由于易于设计、制造以及承载效率高，C型柱作为一种典型的垂向支撑结构，大量应用于大型运输类飞机货舱地板下部。以复合材料C型柱结构为对象，并结合复合材料C型柱轴向压缩试验，旨在发展其在轴向压缩载荷下失效分析的有限元方法。首先，对材料模型的应力-应变曲线进行参数化研究，明确Lavadèze材料单层模型、Puck IFF基体失效准则和Yamada Sun纤维失效准则中参数的物理意义并给出取值建议。其次，建立"层合壳"模型，模拟轴向压缩载荷下破坏失效的力学行为，并与试验结果进行对比分析。研究结果表明，该建模方法能够较好地模拟渐进压缩破坏过程，平均压缩载荷、比吸能的预测值与试验结果具有较好的一致性。     

C/C-ZrC复合材料的制备及力学性能

采用基体改性技术将ZrC引入C/C复合材料中,制备了一种C/C-ZrC复合材料.借助X射线衍射仪、扫描电镜及能谱等手段,对材料的微观结构进行了表征,采用三点弯曲试验研究了材料的力学性能,讨论了ZrC的添加对复合材料断裂行为的影响.结果表明:引入的ZrC相在材料中分布较连续,与C/C复合材料相比,ZrC的引进使得复合材料的弯由强度有所提高,但断裂模式由假塑性变为脆性断裂,其原因与材料中碳纤维与基体较强的界面结合有关.     

缝合结构C/C复合材料的制备及组织

以缝合结构织物为预制体,采用化学气相沉积工艺制备了C/C复合材料.通过OM、PLM对其组织进行了分析.采用SEM观察了热处理前后试样的断口形貌.结果表明:该复合材料组织为粗糙层热解碳,主要沉积在纤维束内的小孔隙内;热解碳与纤维之间界面结合紧密,沉积态C/C复合材料表现为脆性断裂方式,断口较平整,主要为纤维束的断裂;热处理后纤维/基体界面结合变弱,有单根纤维的拔出,材料呈假塑性断裂方式.     

预氧丝网胎体积分数对针刺C/ C 复合材料力学性能的影响

以预氧丝网胎体积分数为35%、40%和45%针刺织物为坯体,经数次沥青浸渍/炭化、高温石墨化处理后制备C/C复合材料,测定并分析这三种材料的拉伸、压缩、弯曲和剪切强度;采用扫描电子显微镜对其断口形貌进行观察,研究预氧丝网胎体积分数对C/C复合材料力学性能的影响。结果表明:材料的z向力学性能(除了压缩强度)随着预氧丝网胎体积分数的增加呈单调递增关系,材料的xy向力学性能受预氧丝网胎体积分数影响较小。扫描电镜观察显示:材料z向强度主要与针刺形成的轴向纤维束多少、分布等有关。     

液相浸渍法制备针刺C/C复合材料

以T300无纬布与PAN碳纤维网胎叠层针刺预制体,高温煤沥青为浸渍剂,采用和高压浸渍炭化相结合的液相浸溃方式制备C/C复合材料.通过对材料力学、热物理性能测试及扫描电镜下显微结构的观察分析.可以得出,引入z向网胎纤维,使材料的z向剪切及压缩、x-y向拉伸及弯曲强度较整体毡C/C材料提高.同时,材料的线胀系数表现为各向异性,而热导率各向异性程度低于整体毡C/C材料,材料的制备周期缩短.     

难熔化合物掺杂C/C复合材料的裂纹扩展及断裂模式分析

利用场发射扫描电镜对难熔化合物掺杂C／C复合材料进行了原位三点弯曲测试，在线观测了裂纹的扩展模式和缺陷的演化规律，并结合OM、SEM和TEM所表征的微观结构，揭示了材料的断裂机理。结果表明：难熔化合物掺杂C／C复合材料的断裂以“弱界面断裂”为主，裂纹优先在基体碳、碳布层间及纤维束搭接处等薄弱环节中产生，成为材料的初始破坏面，随着载荷的增加，裂纹沿着薄弱界面进行扩展，形成贯穿性的大裂纹，并导致材料最终失效。     

针刺C/C复合材料高温力学性能

文摘采用材料超高温力学性能设备及高温应变测试系统,对针刺C/C复合材料拉伸、压缩性能进行了研究。结果表明:针刺C/C复合材料具有明显的拉、压双模量特性,拉、压模量均随着温度的升高而线性下降,且拉伸模量下降更快;针刺C/C复合材料拉伸、压缩强度均随温度升高而先升高后降低,1 600℃时拉伸强度达到最大值,1 200℃时压缩强度达到最大值;其拉伸破坏为脆性断裂,断口呈现45°豁口;其压缩破坏为典型剪应力引起的压缩失效,破坏面倾角为40°~50°。     

针刺C/C复合材料拉伸强度及渐进失效数值预测

基于金相显微镜观测的针刺C/C复合材料细观结构,考虑材料内部纤维的真实分布,建立了针刺C/C复合材料单胞模型。采用Linde失效准则,考虑纤维渐进损伤对材料进行了刚度折减,通过引入周期性位移边界条件,对针刺C/C复合材料的拉伸破坏进行了有限元法（FEM）数值模拟,分析了单胞模型的渐进失效过程,并预测了材料的拉伸强度。开展了针刺C/C复合材料拉伸试验,采用扫描电子显微镜（SEM）观察了材料的断口形貌,数值预测结果与试验吻合良好。针刺C/C复合材料受拉伸载荷后发生准脆性断裂,拉伸应力-应变曲线呈双线性,0°无纬碳布发生纤维断裂和基体开裂破坏,90°无纬碳布出现横向基体劈裂,最终断裂发生在针刺纤维与面内无纬碳布交叉区域。     

轴拉载荷下轴棒法C/ C 复合材料的渐进损伤

以渐进损伤方法和双线性内聚力模型为理论基础,结合ABAQUS6.8用户子程序USDFLD对轴向拉伸载荷作用下轴棒法C/C复合材料的破坏模式及载荷进行了预测,对比了试验结果与预测结果.结果表明:本方法可以准确预测轴拉载荷作用下轴棒法C/C复合材料的破坏模式.     

C/C复合材料界面影响下的宏观拉伸强度模拟

C/C复合材料的宏观强度是由纤维束强度起主导作用,而纤维束强度受纤维/基体界面剪切强度影响.本文建立了界面剪切强度影响下的纤维束强度计算模型,用以计算纤维束或碳布强度.针对细编穿刺C/C复合材料利用其周期性结构单胞,纤维柬和碳布采用Tsai-Wu准则,基体采用最大应力准则,纤维束/基体界面采用内聚力单元,并对其采用二次应力准则,将单胞施加周期性边界条件,计算了纤维束/基体界面处于弱界面剪切强度并与纤维/基体界面剪切强度在一定比例协同变化时的材料宏观拉伸强度,分析了材料的破坏模式.通过计算结果表明:材料宏观拉伸强度会随两类界面剪切强度的协同增加而增加.     

三维碳/碳化硅复合材料的显微结构与力学性能

 利用三维碳纤维预制体，采用等温CVI法制备连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料。无热解碳界面层的复合材料，其力学性能随密度的增加而提高，但密度较高时却表现出脆性断裂特征。热解碳界面层的存在，有利于纤维的拔出，但由于其结晶程度较低，仍然存在纤维束内部的脆性断裂。     

微球型炭泡沫复合材料力学性能的研究

为表征微球含量对碳泡沫复合材料的影响,以自制热固性酚醛树脂与不同体积分数的酚醛空心微球配比混合,采用模压成型法,制备酚醛泡沫材料;再将其在Ar气保护下高温碳化处理,得到微球型碳泡沫复合材料;研究碳泡沫复合材料的微观结构及空心微球的体积分数对碳泡沫的压缩性能、断裂韧性的影响。结果表明：随着空心微球含量的增加,复合材料的压缩断裂特征由梯度式脆性断裂模式向假塑性断裂模式转变,其断裂韧性也得到了明显改善;空心微球含量为80v01．％的碳泡沫韧性最佳;适当提高空心微球含量,可改善碳泡沫的比压缩强度,空心微球含量为70v01．％的碳泡沫的比压缩强度可达43．32MPa·cm3·g-1。     

酚醛树脂炭的合成及力学性能研究

为了表征多孔炭泡沫材料基体的结构与力学性能,采用碱催化法制备热固性酚醛树脂,经固化、高温炭化处理合成多孔炭泡沫材料的基体——酚醛树脂炭。研究酚醛树脂炭的微观结构、压缩强度及压缩断裂韧性。结果表明:酚醛树脂炭结构以树脂炭基体、微孔和微裂纹为主,其碳元素以sp3杂化的非晶炭形式存在;压缩强度为8.58 MPa,压缩断裂特征为脆性断裂模式;酚醛树脂炭的压缩断裂韧性较差,断裂过程中吸收的总能量为0.135 MJ/m3。     

3D针刺C/SiC复合材料螺栓的低成本制备及力学性能

以三维针刺碳毡作为预制体,通过化学气相渗透(CVI)工艺,制备了密度约为1.50～1.60 g/cm3的半成品C/SiC复合材料板材,然后采用专用磨具在半成品复合材料板上按照指定的取样方式切割出螺杆与头部毛坯,并分别对螺杆和头部攻丝,将两者装配在一起形成半成品螺栓,对半成品螺栓CVI致密化并在其表面制备SiC抗氧化涂层,制备出低成本的3D针刺C/SiC复合材料螺栓.提出了C/SiC复合材料螺栓力学性能的测试方法,通过自行设计的夹具,对所制备螺栓的力学性能进行了测试表征,并利用扫描电子显微镜(SEM),对C/SiC复合材料螺栓的拉伸断口形貌进行了观测.结果表明,所制备的螺栓具有较好的抗拉和抗剪能力,室温下螺栓的抗拉强度和剪切强度分别为151.7 MPa和85.6 MPa.     

不同编织结构Cf/Al复合材料高温压缩性能与失效机理

对基于真空气压浸渗法制备的三维五向、三维正交、叠层穿刺和2.5D浅交直联4种不同编织结构C_f/Al复合材料,分别在350℃和400℃下进行压缩试验,分析其高温压缩性能以及温度对复合材料压缩性能的影响,并进一步利用SEM观察叠层穿刺结构的断口形貌,探讨其压缩失效机理。结果表明,不同编织结构的复合材料在高温环境下压缩性能差异较大,三维正交结构的压缩强度最高,在350℃和400℃下分别为351.4 MPa和288.6 MPa;2.5D浅交直联结构的压缩强度最低,分别为87.3 MPa和52.2 MPa。同时不同编织结构的C_f/Al复合材料高温稳定性也存在较大差异,当温度由350℃升高到400℃时,2.5D浅交直联结构的压缩强度下降幅度较大,约为40.2%,其高温压缩稳定性较差;叠层穿刺结构的压缩强度下降幅度较小,约为4.0%,其高温压缩稳定性较好。叠层穿刺结构复合材料的高温压缩失效过程根据切线模量特征可分为两个阶段：第一阶段基体合金承受主要载荷,第二阶段基体与增强纤维共同承受载荷。     

碳纤维增强可溶性聚芳醚树脂基复合材料的表面与界面

首次对碳纤维增强含二氮杂萘酮联苯型聚芳醚砜酮(PPESK)基高性能热塑性树脂基复合材料的界面进行了研究。采用空气冷等离子体处理方法对碳纤维表面进行处理。用XPS测试分析了不同等离子体处理时间对CF-原丝表面元素组成的影响及其变化规律。用FT-IR测试分析了经等离子体处理前后碳纤维表面的官能团的变化。采用动态接触角测试分析了不同处理时间下,碳纤维浸润性的变化规律,进一步分析了复合材料界面的粘结机理。采用AFM测试分析等离子体处理时间对碳纤维表面粗糙度的影响。利用ILSS测试方法表征了碳纤维/PPESK复合材料的层间剪切强度,确定了最佳的等离子体处理条件。利用SEM观察了碳纤维/PPESK树脂基复合材料的层间剪切破坏形貌。结果表明:对碳纤维的最佳的等离子体处理条件为:处理功率200W,处理时间15m in。在这一条件下处理碳纤维,复合材料的ILSS值最达可提高13.5%。经过适当的等离子体处理后,碳纤维表面的极性基团的含量、浸润性能和粗糙度均得到改善,增强纤维与树脂基体间界面的粘结性能得到提高,从而提高了复合材料的力学性能。     

碳布铺层方式对C/ C-SiC 薄壁喉衬性能的影响

通过CVI+PIP 制备了准三维针刺C/ C-SiC 薄壁喉衬,预制体碳布铺层方式分别采用与喉衬内型 面形状相同的仿形铺层以及与喉衬入口端角度相同30°铺层。研究了两种铺层方式对最终构件层间弯曲性 能、整体承压性能以及抗烧蚀抗冲刷的影响。结果表明,构件的弯曲强度分别为205 和152 MPa;水压爆破压 力分别为6. 5 和4. 9 MPa。用与材料表面夹角为30°的氧乙炔气流考查材料的抗烧蚀及冲刷性能,同角度铺层 成型材料抗冲刷能力明显较好,200 s 其线烧蚀率为仿形铺层成型材料的70%。     

几种碳纤维/双马树脂复合材料湿热特性实验研究

 针对碳纤维/双马树脂体系,研究了不同湿热条件、不同碳纤维种类和预浸料制备方法下复合材料层板的湿热特性,通过考察吸湿量、动态力学性能、弯曲性能及其断口形貌等方面分析了各因素对复合材料吸湿特性的影响规律。结果表明,在实验范围内不同湿热条件下水分主要引起复合材料发生了物理变化,而没有发生明显的化学变化;国产T300级碳纤维复合材料湿热性能偏低,这与其界面粘结性能较弱有一致性;与干法预浸料相比,湿法预浸料制备的复合材料层板湿热性能明显偏低,说明溶剂对双马树脂复合材料的界面性能和吸湿性有重要影响。     

针刺C/ C 复合材料剪切性能

利用V形开口梁(Iosipescu)实验对一种新型针刺准三维C/C复合材料面内剪切性能及层间剪切性能进行了测试分析;获得了离散性较小的剪切强度与剪切模量值,以及有效地破坏模式;同时用有限元方法分析了层间剪切试样中的应力分布状态。结果表明,试样缺口根部处应力集中引起试样过早破坏,人为引入缺陷后,可以得到较均匀的剪应力场。