碳化硅纤维增强铝复合材料疲劳性能及疲劳破坏机理研究

介绍了SiC/Al复合材料单向板和正交板试样的拉—拉疲劳特性和疲劳破坏机理研究结果。研究结果表明,SiC/Al板试样拉—拉循环5×10~4次后,其剩余静拉伸强度系数超过0.87,随着循环应力水平的提高,材料的剩余静拉伸强度几乎没有变化,但声发射信号的起始峰值向应变增大方向移动;疲劳将导致复合材料表面产生温升,通过测量材料表面温度的变化,可以提前预告SiC/Al复合材料的疲劳破坏。     

三维轴编C/C复合材料双向拉伸实验研究

设计了双向拉伸十字型试样,采用不同的加载比例和加载方向对三维轴编C/C复合材料进行双向拉伸实验,面内方向施加1∶1和1∶2的载荷,面外方向施加1∶1的载荷。实验结果表明,十字型试样的初始破坏发生在中心打薄区域,材料为脆性断裂。面内双向拉伸破坏主要为径向纤维束的断裂和基体的开裂,断口大多沿60°方向;面外双向拉伸破坏主要以纤维束的断裂、炭棒的拔出和基体开裂为主,断口形貌较为复杂。材料在不同载荷形式下有着不同的强度值,相对于单向拉伸强度,存在强度弱化现象。根据实验数据确定了蔡-吴强度准则的参数,为三维轴编C/C复合材料结构强度设计及校核提供参考。     

可用于先进复合材料的一种中温固化环氧树脂

本文评价了一种可用于纤维缠绕先进复合材料的,以聚醚三胺进行固化的双酚F 环氧树脂。该树脂系统具有低粘度,长使用期,并能在中温下进行固化。使用这种树脂制造的复合材料,未发现明显的纤维微皱摺或分层现象,这意味着介于纤维和基体之间不同的热膨胀系数已不成为一个问题。该树脂系统浇注体典型力学性能(拉伸、压缩和剪切)已测得。拉伸:最大应力75.8兆帕(Mpa),最大应力下的应变为4.2%,模量为3171兆帕,断裂应力为71兆帕,断裂应变为5.8%。压缩:最大应力为87兆帕,最大应力下的应变为4.7%,模量为3150兆帕。剪切:断裂应力为52.2兆帕,冲击强度为32.6牛顿米/米。     

纤维增强复合材料静动态拉伸形变的碳纳米纸传感器监测

碳纳米纸可用作应变传感器监测纤维增强复合材料在静动态拉伸状况下的变形问题,这主要是通过测量与玻璃纤维增强复合材料一体固化成型的碳纳米纸传感器电阻变化来实现。试验结果表明,静态拉伸试验中,碳纳米纸传感器具有非常灵敏的应变传感性,在0~11 021με的应变范围内,其应变传感系数可达到22.1,在弹性极限点位置(应力为210MPa)电阻变化率发生突变;拉-拉疲劳试验中,当最大拉伸应力(215 MPa)大于弹性极限时,残余电阻变化率随疲劳周期增加明显加快;碳纳米纸传感器具有非常好的应变监测同步性和稳定性,完全可满足复合材料结构健康监测需要。     

胶粘剂拉伸剪切强度不合格原因分析

针对X牌号环氧胶粘剂在试验过程中出现拉伸剪切强度不合格的现象,通过大量的试验查找原因,最终确定了影响胶粘剂拉伸剪切强度的因素。同时,提高了对试片的制备、处理、粘接、固化的理论认识和实际操作水平。     

声发射法监测碳化硅纤维增强铝复合材料断裂过程

本文是利用声发射仪监测束丝碳化硅纤维增强铝复合材料断裂过程的研究报告。 在衰减参数为1×6db及振铃计数率为10~4/秒条件下,复合材料在拉伸过程中产生的声发射,其主要机理是碳化硅纤维的断裂。 对比SiC/Al复合材料、纯铝及铝合金三种材料的声发射计数率与应力——应变的关系曲线,发现复合材料的曲线只有按指数规律上升的一段,而没有纯铝及铝合金那样的延续段,表明复合材料是脆性断裂。SiC纤维是逐渐地而不是同时地断裂的。这样的断裂过程正是复合材料的强度具有离散性及往往低于ROM计算值的原因之一。 当应变值约等于断裂应变的60～80％时,声发射计数率急剧增大,表明这时复合材料已处于即将破断的不稳定状态,在结构设计及产品检验时可作参考。     

不同温度和拉伸速率下复合推进剂力学性能及破坏模式分析

进行不同温度和拉伸速率下推进剂单向拉伸力学性能试验,并利用扫描电镜对拉伸断口形貌进行了观察,分析了温度和拉伸速率对推进剂力学性能的影响以及不同细观破坏模式,特别是低温、高拉伸速率下推进剂的失效机理;基于时温等效原理,给出了推进剂力学性能主曲线和破坏包络线。研究表明:初始模量、抗拉强度主曲线呈指数递减趋势,在高温、低拉伸速率下其值减少;断裂伸长率主曲线呈多项式关系,在低温、高拉伸速率下明显降低;力学性能主曲线和破坏包络线可以用于不同试验条件下失效应力的预测;推进剂在低温、高拉伸速率条件下内部颗粒产生了明显的破碎,相同温度条件下,拉伸速率越高,颗粒破碎越严重。     

航天领域常用聚四氟乙烯性能试验研究

聚四氟乙烯因其具有优异的特性,在航天领域有着广泛的应用。文章对SFB-2、M-12、M-111、4FT-6这4种航天领域常用聚四氟乙烯材料的摩擦性能和压缩变形特性进行试验研究:50 N载荷下它们的磨损率分别为1.21×10-4、1.39×10-4、1.32×10-4、1.19×10-6 mm3/(N·m);而13.7 MPa压缩载荷作用下的压缩变形量依次为7.0%、6.1%、3.3%、3.3%。表明不同厂家、不同牌号聚四氟乙烯的摩擦性能和压缩变形特性存在显著差异,在进行产品设计、材料选型时必须因材施用。     

碳-芳纶混杂正交三向复合材料疲劳性能实验研究

采用三维机织工艺结合树脂传递模塑(RTM)技术制备了两种碳-芳纶混杂正交三向复合材料,即z向纱均采用芳纶纤维,经纬纱分别为炭纤维和经纬纱间隔排列炭纤维和芳纶纤维的混杂正交三向复合材料,以恒定应力幅值、应力比和频率,开展了复合材料经向拉伸疲劳性能试验,通过与炭纤维复合材料的对比,分析了碳-芳纶混杂方式对复合材料拉伸疲劳性能(疲劳寿命、疲劳破坏特征和疲劳后强度/刚度)的影响。当z向纱选用芳纶纤维,面内经纬纱为炭纤维的混杂复合材料经向拉伸疲劳寿命表现出正混杂效应;当进一步混入芳纶纤维,面内经纬纱为炭纤维和芳纶纤维间隔排列正交三向复合材料疲劳寿命表现为负混杂效应,对疲劳刚度损失有一定的抑制作用。可见,炭纤维正交三向复合材料中引入芳纶纤维,对其复合材料拉伸疲劳性能有重要影响,通过设计纤维混杂方式和混杂比例可进一步提高复合材料疲劳性能。     

缝合密度对缝合C/C-SiC-ZrC复合材料的力学性能的影响

采用碳纤维无纬布缝合预制体,经"CVI+PIP"混合工艺制备了缝合C/C-SiC-ZrC复合材料。比较不同缝合密度对C/C-SiC-ZrC复合材料力学性能的影响,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料断口的微观形貌。结果表明,在一定范围内,随着缝合密度的提升,缝合C/C-SiC-ZrC复合材料的拉伸强度有所下降,然而剪切强度有明显提升,最大可达24.94MPa。从SEM结果可以看出,无纬布缝合C/C-SiC-ZrC复合材料的拉伸破坏有明显假塑性断裂特性,在剪切载荷作用下,Z向纤维可有效抑制材料层间分层损伤。     

C/SiC材料在模拟空天往返条件下的可重复使用性能评估

针对飞行器空天往返、多次使用的发展需求,以2D C/SiC材料为对象,选择开放大气模拟环境、800 ℃温度条件开展了常/高温拉伸试验、以及常温→高温→降温循环变化历程下拉-拉疲劳的耦合试验,得到不同的力学性能规律,分析了影响材料表面涂层完整性的控制因素及转化点。表明C/SiC材料具有优良的高温静态持续强度性能,但在常-高温循环变化历程下的疲劳性能明显衰减。采用剩余刚度衰减模型,提出了力-热-氧耦合时考虑常-高温循环历程影响因素、以及氧化尺寸效应影响的疲劳剩余性能评估方法。     

热防护材料表面发射率测试研究

提出了一种基于热流反演方法的表面发射率测试方法,并应用该方法对火箭发动机用热防护材料镀铝薄膜表面发射率进行了测量。试验在真空舱中进行,利用石英灯对试片进行加热,建立了由石英灯和试片组成的热交换系统,根据传热理论推导出了包含试片表面发射率的传热方程。依靠热电偶测量试片温度变化,反演得到表面热流,代入传热方程,获得试验用镀铝薄膜表面发射率约为0.12。此外,还采用集总参数法对镀铝薄膜表面发射率进行了计算,两者结果相差小于1.5%。提出的发射率测试方法虽然不能得到光谱发射率,但已经可以满足工程应用,且简单易行。     

复合固体推进剂双参数断裂准则研究

针对复合固体推进剂裂纹尖端的损伤特性,基于Dugdale模型建立了一个复合固体推进剂双参数断裂准则。通过单轴拉伸试验和单边断口断裂试验求得了双参数断裂准则中的两个材料参数。利用该准则对含有不同长度裂纹试件的破坏载荷进行预估,其结果与试验结果吻合得很好。
     

针刺C/C复合材料高温力学性能试验及本构关系

为研究针刺C/C复合材料高温下力学性能,通过C/C材料试件不同温度下的拉伸、压缩及剪切性能试验,观察试件在高温和外载荷作用下的破坏模式,获得了材料不同温度下的应力-应变曲线。基于对Jones-Nelson-Morgan模型改进并引入温度系数,建立了C/C复合材料高温本构关系模型,并与试验结果进行了对比。结果表明,在温度≤1800℃,针刺C/C材料为线弹性本构关系,C/C材料拉伸、压缩及剪切强度均随温度的升高呈先升高、后降低趋势,在温度≥1600℃后,强度逐渐降低;建立的高温本构模型计算结果与试验结果吻合较好; C/C材料整体表现为脆性破坏,拉伸破坏纤维拔出尺寸较短,压缩破坏断口呈现45°豁口。     

高温铼材性能

本文提供了热等静压(HIP)粉末冶金(PM)铼(Re)和电沉积(ED)铼的材料性能数据。高性能辐射冷却推力室用铼作基体材料,然而,铼的机械性能数据,特别是高温下(>1650℃)的数据比较少。对于这两种制造方式的铼材,已获得了从室温到高温2200℃的拉伸数据。PM 试件是5cm 长的棒,而 ED 试件是10.2cm 长的平板。HIPPM 试件还进行了低周疲劳试验和蠕变断裂试验。试验前所有试件均在1649°下退火30min。这些数据与以前公布的有关化学汽相沉积,压制和烧结 PM,轧板 PM 以及 HIPPM 铼试件的试验结果进行了比较。     

纤维缠绕壳体材料的粘弹性蠕变性能

在各种载荷条件下测量了用于固体火箭发动机壳体的 S-901玻璃纤维/环氧树脂复合材料的粘弹蠕变特性。试样从纤维缠绕发动机壳体的前封头,纤维缠绕角为±20°和±70°的区域内切取。在不同的拉伸应力和四点梁弯曲应力水平的条件下对试样进行测试。通过几次蠕变——恢复周期来确定材料的蠕变特性。为了测定材料在较低的应力水平下的滞后现象也用四点梁弯曲试验进行了等位移速率试验。发现材料的特性在许多方面类似于从前在等同条件下试验的气压釜固化的平板试样的特性。蠕变特性随时间的变化服从如下幂定律:D=D_0+D_1f~n式中:D 为蠕变柔量(磅/英寸~2~(-1))D_0为初始弹性蠕变柔量。D_1和 n 确定了材料的粘弹响应特性。在线性粘弹性范围,n=0.19。这与环氧树脂本身得出的数据完全一致。在较高应力水平下,由于复合材料内部产生的微裂纹而使 n 值增加。在第一次和第二次加载循环之间,蠕变——恢复特性出现最大差值,而在随后的加载条件下 n 值稍许降低。     

LD10锻铝合金超塑性力学特性研究

超塑性拉伸试验表明,经超塑性预处理的棒状试样在经460℃、应变速率ε为3.33×10~(-3)S~(-1)条件下拉伸时获得延伸率δ为357％,流动应力口为20MPa。经超塑性预处理的板状试样在经460℃、δ为5×10~(-3)S~(-1)条件下拉伸时获延伸率δ为820％,流动应力口σ为48MPa。 试验证明,超塑性材料拉伸时的流动应力小于经过良好退火材料拉伸时的流动应力,在翼身较薄的铝合金翼片超塑性等温模锻时降低了设备吨位。     

纤维增强陶瓷基复合材料中纤维增韧分析模型

对于单向纤维增强陶瓷基复合材料，在考虑纤维桥联和纤维拔出两种主要增韧机理的基础上，建立了研究紧凑拉伸试样断裂行为的理论模型，并利用该模型计算了裂纹扩展的Ｒ－阻力曲线和载荷／位移曲线，计算结果表明：由于纤维桥联与拔出，使得Ｒ－曲线和载荷／位移曲线呈现明显的非线性行为，纤维桥联是主要增韧机制。体积分数５０％ＳｉＣ１／ＬＡＳ复合材料断裂韧性的计算值与实验值吻合。     

银镁镍合金接点镀金钴合金工艺试验

微型继电器的银镁镍合金接点上镀复3~5μm,金钴合金后可防止“冷焊”并减轻磨损。研试证实,从每升含0.1克钴的镀金溶液中获得的金钴镀层,其硬度可达HV122,较一般弱酸性镀金溶液的金镀层硬度可高出25~30HV;其耐磨性也相应地增加,经百万次接点机械老练试验,镜检表面完好无损,接触电阻稳定无上升趋势;其耐热性亦好,800℃钎焊无起泡现象;弯曲试验直至基体断裂,镀层仍未分层或脱皮;盐雾试验3周试片无腐蚀,试验证明,若镀液含钴量高于0.1克/升或低于0.05克/升,均可导致镀层性能下降,此外,镀液中游离氰的含量过多,使钴的析出困难。添加金氰化钾时尤应注意此问题的发生。     

2024-T3铝合金拉伸及剪切断裂行为

2024铝合金材料在拉伸和扭转载荷作用下表现出截然不同的失效机理。结合试验和数值方法,研究了应力状态对2024-T3铝合金韧性断裂行为的影响规律。首先,对圆棒和薄壁圆筒试验件分别进行了拉伸和扭转试验,从断面形貌以及断裂应变与应力状态间关系两个方面,考察了应力状态对2024-T3铝合金断裂机理的影响规律。然后,基于Gurson理论在商业有限元软件ABAQUS中开发了同时适用于拉伸和剪切断裂模式的细观损伤本构,对2024-T3铝合金的弹塑性响应和裂纹扩展路径进行了数值分析。与试验结果对比研究表明,本文发展的细观损伤本构能够较好预测延性金属材料在多种应力状态下的损伤破坏过程。