单一纤维和混杂纤维复合材料拉伸性能统计分析及计算模型

采用微观—宏观力学方法,研究单—纤维和混杂纤维复合材料拉伸破坏的统计行为并建立计算模型。模型中纤维拉伸性能的统计特征用Weibull分布表征,并考虑破坏过程中的载荷重新分配。模型计算与实验结果对比,模型能准确估算单一纤维复合材料拉伸性能,但对情况复杂的混杂纤维的性能估算不够理想。     

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。     

APMOC纤维在紫外光下的拉伸强度

用Weibull分布和正态分布的方法研究了氙灯紫外光辐照对APMOC纤维拉伸强度及其分布的影响,比较了Weibull分布及正态分布描述APMOC纤维单丝强度的适应性.结果表明:(1)氙灯紫外光辐照96 h对APMOC纤维单丝拉伸强度及分布的影响不大,拉伸强度在4.4 GPa附近波动;(2)Weibull分布和正态分布都可以描述APMOC纤维的强度分布,二者没有显著差别.     

用Weibull模数表征碳纤维的力学性能

碳纤维属于脆性材料,随机分布的缺陷控制其抗拉强度。用Weibull最弱连接理论及经验方程式可阐明和计算抗拉强度与CV值以及与直径的关系。本文提出用拉格朗日乘子多元回归计算的双参数双模态韦氏模型方法,并用直接拟合法计算三参数双模态韦氏模型,得到了很好的结果。     

热处理及浆料对Nextel 720纤维强度及其分布的影响

采用两参数Weibull分布,对Nextel 720纤维强度及其分布进行了研究,并采用Kolmogorov非参数检验对其分布进行了检验.采用液相浸渍(硅溶胶、石英浆料和氮化硅浆料)对Nextel 720纤维进行处理,研究其对Nextel 720纤维强度的影响.结果表明,可用两参数Weibull分布表征纤维束强度分布.热处理使纤维强度急剧下降,且强度分散性变大.上浆后800℃处理,纤维束强度较高,Weibull模数高于原始纤维束;1000℃处理后,温度对纤维束的损伤严重,强度较低,但比不上浆相同温度处理纤维束强度高,分散性小.     

不同纤维束下SiC陶瓷基复合材料拉伸强度及拉伸行为研究

为了探究C纤维和SiC纤维对SiC陶瓷基复合材料力学性能的影响,采用化学气相浸渗法(CVI)制备了纤维束复合材料Mini-C/SiC和Mini-SiC/SiC,测试了C纤维束、SiC纤维束、Mini-C/SiC和Mini-SiC/SiC复合材料的拉伸强度,利用两参数Weibull分布模型研究了强度分布,并观察了复合材料的断口形貌。结果表明:两参数Weibull分布可有效合理地表征强度分布,并准确地进行强度预测。Mini-C/SiC复合材料的拉伸强度高于Mini-SiC/SiC复合材料,且C纤维束和Mini-C/SiC复合材料拉伸强度的分散性低于SiC纤维束和Mini-SiC/SiC复合材料。C纤维束发生韧性断裂,SiC纤维束发生脆性断裂。当基体裂纹达到饱和状态时,Mini-C/SiC复合材料继续变形直至断裂,而Mini-SiC/SiC复合材料随即发生断裂,Mini-C/SiC复合材料的断口主要以纤维丝和纤维簇的拔出为主,而Mini-SiC/SiC复合材料的断口主要以纤维丝的拔出为主。该实验结果将为SiC陶瓷基复合材料的设计与制备提供参考与借鉴。     

累积复合轧制TZM合金板的组织与性能

采用粉末冶金法制备出TZM合金烧结坯,并将其轧制成2mm厚板材,在此基础上采用累积复合轧制技术(ARB),完成TZM板四次轧制复合,并对不同道次TZM复合板进行性能测试和组织分析。结果表明:随累积变形量增加,复合板晶粒显著细化、组织分布更加均匀,经过三次累积复合后,材料的抗拉强度和界面结合状态最佳。试样晶粒在轧制过程中被拉长、展宽,晶粒断面直径200～500nm,抗拉强度提高50%,2mm TZM复合板最高抗拉强度可达968MPa;材料断裂特征仍为脆性断裂,伸长率变化不明显,轧制复合板伸长率仅为2.0%。     

浸胶丝束拉伸强度统计分布研究

采用数理统计分析方法,定量比较浸胶丝束拉伸强度实验分布与理论正态分布和Weibull分布的偏离。结果表明,丝束强度分布受纤维种类和基体性能影响。在95％置信度下,浸胶丝束强度分布既可用正态分布描述,也可用Weibull分布描述;但随着基体韧性的提高,浸胶丝束强度分布呈现由正态分布向Weibull分布过渡的趋势。     

用改进的Weibull方法分析纤维强度的长度效应

为了描述纤维强度与长度的关系,采用改进的Weibull统计方法对不同长度纤维的强度数据进行了处理.该方法有效地利用实验数据,将不同标距下的实验结果统一处理,并采用迭代步骤求取Weibull参数.由于将长度和拉应力作为统计参数,得到的纤维断裂失效函数综合反映了纤维长度和拉伸应力对失效概率的影响,更好地描述了强度与长度的分散关系.通过对芳纶APMOC和PBO的单丝拉伸实验验证了改进统计方法的优越性.     

编织方法对玄武岩纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响

纤维织物的编织方法对纤维增强的树脂基复合材料的力学性能有很大的影响。制备了平纹和斜纹的玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料,通过三点弯曲和拉伸试验机检测了弯曲性能和拉伸性能,并结合断面形貌观察,研究了其断裂机制。两种编织方式(平纹和斜纹)的玄武岩纤维对环氧树脂基复合材料影响的研究结果表明,斜纹纤维复合材料具有更优异的力学性能,其弯曲强度是平纹纤维复合材料的2倍以上,抗拉强度也优于平纹织物。在弯曲过程中,平纹纤维复合材料承受最大载荷后缓慢断裂,而斜纹纤维复合材料则很快发生断裂。断口形貌显示,平纹纤维复合材料断口区域的纤维拉出较长,且纤维之间的树脂已经剥离且消失,而斜纹纤维复合材料断口区域的纤维拉出较短,且纤维之间仍有部分树脂存在,这说明斜纹纤维复合材料具有更强的纤维—基体结合力。     

SiC／Ti-153复合材料界面与性能研究

对带(B4C C)涂层的SiC纤维增强Ti-153复合材料的界面反应进行热力学分析,并对界面反应层做能谱成分分析及X-射线衍射结构分析.结果表明,界面反应层为TiC,TiB2和TiB相的组合物.采用不同的热压工艺制备复合材料并分别进行拉伸实验及扫面电镜观察,从而得出不同界面结合状态与拉伸性能之间的关系.对经不同时间的热处理具有不同界面反应层厚度的复合材料进行拉伸实验,结果表明,随着反应层厚度的增加复合材料性能下降.     

单向陶瓷基复合材料单轴拉伸强度研究

采用细观力学方法对单向纤维增强陶瓷基复合材料单轴拉伸强度进行研究.采用剪滞模型描述复合材料出现损伤后的细观应力场,结合基体随机开裂模型、断裂力学界面脱黏准则确定基体裂纹间距及界面脱黏长度.当基体裂纹达到饱和后,假设纤维强度服从威布尔分布,完好纤维和断裂纤维承载满足总体载荷承担法则,采用纤维随机失效模型确定继续加载过程中纤维断裂概率及断裂位置,当纤维承载达到最大时,复合材料失效.讨论了基体威布尔模量和特征强度、纤维/基体界面剪应力和界面脱黏能、纤维威布尔模量和特征强度对纤维失效,进而对复合材料拉伸失效强度的影响.与试验数据对比表明:提出的模型是有效的.      

ECAP对纯铝拉伸性能和断裂行为影响的研究

利用等通道转角挤压(ECAP)对纯铝进行了连续的挤压,结合位错及断口形貌,分析了位错强化及断裂机制.结果表明, 剪切变形使位错滑移,晶粒细化,挤压4道次后材料屈服强度、抗拉强度分别较初始态提高了38.5%和24.0%,断裂机制呈现典型的沿晶断裂特征.     

P／M—SiC_p增强LY12的研究

 采用粉末冶金方法（Ｐ／Ｍ）完成了ＳｉＣ颗粒增强ＬＹ１２的成形工艺和不同重量百分比条件下的力学性能实验。测试表明,含ＳｉＣ＿ｐ２０％（ｗｔ）的复合材料在室温下平均抗拉强度可达５９４ＭＰａ,延伸率为６％。其抗拉强度比ＬＹ１２ＣＺ提高３０％；２００℃拉伸时σ＿ｂ＝４９３ＭＰａ；３１５℃时σ＿ｂ＝２９９ＭＰａ。用扫描电镜及光学显微镜观察了ＬＹ１２粉末和试样断口的组织形貌。     

CVD技术制备Ta/W层状复合材料

运用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)技术制备了W体积分数分别10%,13%和18%的Ta/W两层层状复合材料,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和室温拉伸实验对复合材料的性能进行分析。结果表明:运用CVD技术可以制备W体积分数不同,且密度优于理论密度99.4%的层状复合材料;复合材料中Ta,W层的晶粒均为柱状晶粒,离界面越近,晶粒越细;沉积态复合材料的力学性能优于纯CVD Ta和CVD W;1600℃×2 h的热处理后,复合材料的界面扩散层宽度显著增大,力学性能高于沉积态的力学性能,最高抗拉强度可达660 MPa。     

定向层片组织铸造 TiAl 合金的热等静压温度选择

研究热等静压温度对定向层片组织常规铸造 TiAl 合金层片分解程度和室温拉伸性能的影响,以期优选出适于定向层片组织的热等静压温度。结果表明：在1250℃热等静压处理,析出过多的等轴γ晶粒,降低了该合金的室温拉伸强度;在1290℃热等静压处理,发生层片粗化和生成随机取向二次层片,破坏了取向一致性,降低了室温拉伸性能的稳定性。在1270℃等静压处理,等轴γ晶粒析出量较少,且未见明显的层片粗化和二次层片,所得组织保持较好的层片组织完整性和取向一致性,并表现出最佳的室温强度、塑性和性能稳定性。确定适于定向层片组织铸造 TiAl 合金的热等静压温度是1270℃。     

纤维增强树脂基复合材料连接结构强度与失效分析

采用拉伸试验和有限元分析方法研究纤维增强树脂基复合材料螺栓连接与胶–螺混合连接结构的失效机理。通过拉伸–剪切试验分析其载荷–位移曲线,结合有限元仿真结果及断面微观结构变化分析其结构强度和失效机理。结果表明,螺栓连接结构孔周碳纤维丝束受到螺栓挤压力变形后传递给树脂基体。因此,呈现纤维屈曲变形,树脂基体由均匀分布状被断裂的纤维短束挤压变成团簇状,形成结构不均匀而出现薄弱区域。胶–螺混合连接结构呈现拉伸断裂式破坏,断口处碳纤维丝束在拉伸–剪切作用下从环氧树脂基体中拔出并损伤断裂,丝束方向杂乱排布。附着在碳纤维丝束周围的树脂基体从均匀分布状变为团聚状,连接结构在达到极限载荷之后出现拉伸断裂,呈现净截面破坏,并且在重新分配载荷之后板材之间的胶粘剂对纤维的破坏会起延滞作用。材料强度、螺栓强度、胶层强度及螺栓宽径比等因素均会成为影响连接结构失效破坏的因素。     

夹杂物的类型与形态对超高强度钢塑性的影响

利用扫描电镜和能谱分析等检测手段研究了不同冶炼工艺生产的G50钢中夹杂物类型和尺寸分布.研究结果表明:抗拉强度和屈服强度主要受微观组织影响,与夹杂物的类型和形态无关.NbCN与基体间结合力相对硫化物与基体间的结合力大.在塑性断裂过程中,裂纹在夹杂物形成的空穴处扩展存在竞争机制,优先出现在与基体结合力差且形态应力集中的夹杂物处,其次是与基体结合力强同时有应力集中的形态的夹杂物.     

NiAl合金基原位复合材料的反应热压法制备和拉伸性能

研究了反应热压技术（包括反应轴向热压（ＲＨＰ）和反应热等静压（ＲＨＩＰ）法）制备的Ｎｉ５０Ａｌ２０Ｆｅ３０（ＮｉＡｌ（Ｆｅ））基原位复合材料的微观组织和拉伸性能。结果表明,反应热压技术制备的ＮｉＡｌ（Ｆｅ）基复合材料中原位合成的ＴｉＣ颗粒细小,分布均匀、弥散,但复合材料不完全致密,孔隙的存在损害了其拉伸性能。二次加工工艺可提高ＮｉＡｌ（Ｆｅ）基原位复合材料的致密性和组织均匀性,从而显著改善其力学性能。     

混杂碳／碳复合材料超高温拉伸断裂模式

通过电子扫描电镜 (SEM)研究了混杂碳 /碳复合材料的组分微结构形态、内部微缺陷产生的原因以及随温度升高的演化规律 ,结合超高温拉伸试件断口的形貌分析 ,揭示了超高温条件下混杂碳 /碳复合材料的断裂机理。在温度和载荷载的作用下 ,基体内的孔洞和微裂纹逐渐融合、扩展、长大 ,纤维 /基体界面结合减弱、脱开 ,形成大的裂纹并沿着纤维 /基体界面迅速扩展 ,使得材料的性能退化 ,最终在某薄弱截面破坏