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。     

考虑含界面裂纹应力集中系数的复合材料强度计算

弱界面复合材料受横向拉伸时,界面会在材料整体破坏前发生脱粘,材料横向拉伸强度甚至远低于纯基体的拉伸强度。为了准确地预测弱界面复合材料的偏轴强度,需要考虑和量化纤维埋入及界面脱粘对基体现场强度的影响。定义考虑界面裂纹的应力集中系数,提出一种新的方法用于预测弱界面复合材料在任意角度偏轴拉伸作用下界面脱粘对应的临界外加载荷和材料的整体强度;并对不同种类的复合材料进行算例分析。结果表明:加入新定义的应力集中系数可以明显提高预测的准确性。     

单向SiC/SiC复合材料拉伸行为模拟研究

理解单向SiC/SiC复合材料在拉伸过程中的损伤破坏机制对掌握SiC/SiC复合材料的力学行为有着至关重要的意义。本文构建了一个单向SiC/SiC复合材料微观二维有限元模型,基于强度判定模拟纤维随机断裂过程;基于内聚力模型模拟界面脱粘现象;特别针对基体裂纹现象,通过均匀质方法和断裂能释放率建立了基体的连续介质损伤模型。结果显示,模型成功模拟了单向SiC/SiC复合材料在拉伸过程中的微观破坏机制和宏观力学行为。基体裂纹、纤维断裂、界面脱粘这3种微观破坏机制之间共同作用、相互影响,最终造成了材料整体的失效。本文中获得的结果将有助于进一步理解单向SiC/SiC复合材料拉伸行为,有利于材料性能的提高。     

使役条件下SiC_p/Al复合材料的建模拟实

基于有限元方法,通过Python语言开发了SiC_p/Al复合材料的参数化建模程序,利用ABAQUS图形用户界面(GUI)完成了建模过程的可视化,搭建了颗粒的大小、形状、体积含量和分布可控的快速建模拟实平台。利用此平台建立了SiC_p/Al复合材料基于微细观的代表性体积单元(RVE)有限元模型,并先后引入了颗粒的弹脆性断裂行为、基体的弹塑性断裂损伤行为和界面的拉伸-开裂行为,实现了SiC_p/Al复合材料的变形和断裂的全过程模拟。为研究使役条件下SiC_p/Al复合材料的构效关系,建立了颗粒体积含量为7%和14%的复合材料有限元模型,首先研究了拉伸过程中颗粒体积含量对复合材料变形和损伤行为的影响;然后将体积含量为7%的复合材料模拟压缩过程与拉伸过程进行对比,分析了在不同载荷条件下复合材料的变形和损伤机理。实践证明,所建立的SiC_p/Al复合材料参数化建模平台可用于颗粒增强金属基复合材料基于微细观的有限元建模,对复合材料强韧化机理分析和构效关系研究具有重要的价值。     

纤维泊松收缩对陶瓷基复合材料基体裂纹演化影响

采用细观力学方法分析了陶瓷基复合材料在单向拉伸载荷作用下纤维泊松收缩对基体裂纹演化的影响,将库仑摩擦法则与拉梅公式相结合分析复合材料细观应力场,结合临界基体应变能准则以及界面脱粘断裂力学方法确定基体裂纹演化,讨论了界面摩擦系数、纤维泊松比、界面脱粘韧性以及纤维体积百分比等参数对界面脱粘和基体裂纹演化产生的影响,并与常界面剪应力假设下基体裂纹演化进行了对比.      

基于原位X射线成像的推进剂损伤演化表征

为实现对硝酸酯增塑聚醚（NEPE）固体推进剂的细观损伤及其演化行为的可视化表征，基于自主研制的原位力学试验系统与第3代高分辨同步辐射X射线三维成像技术，对拉伸速率为0.1 mm/s下的NEPE固体推进剂单调拉伸过程进行三维成像原位观测和表征，获取初始状态固体推进剂的细微观形貌及其随拉伸载荷的演化特征，提取并分析其内部典型损伤的体积与球度随载荷的演化规律。结果表明：同步辐射原位成像技术能够准确获取NEPE固体推进剂的细观结构特征，可以基于灰度差异对固体推进剂的AP颗粒、Al颗粒、基体以及缺陷等实现特征的准确识别。研究发现，NEPE固体推进剂内部缺陷主要有2种，一种为颗粒内的孔洞，一种为AP颗粒/基体界面的初始脱湿。推进剂细观损伤首先表现为初始的界面脱湿形成的孔隙：在拉伸载荷较小时，推进剂的损伤形式主要表现为较大的AP颗粒脱湿形成的孔隙；在拉伸载荷较大时，除AP颗粒脱湿外可以观察到Al颗粒的脱湿，大量的AP颗粒脱湿后形成的孔隙相互融合，最终导致固体推进剂宏观断裂。对固体推进剂内部孔隙定量化表征的结果表明，孔隙体积随着拉伸载荷增大而增加，而球度变化与初始缺陷相关，有初始缺陷时，球度呈现单调减...     

纤维泊松收缩对陶瓷基复合材料基体裂纹演化的影响

本文采用细观力学方法分析了陶瓷基复合材料在单向拉伸载荷作用下纤维泊松收缩对基体裂纹演化的影响,将库仑摩擦法则与拉梅公式相结合分析复合材料细观应力场,结合临界基体应变能准则以及界面脱粘断裂力学方法确定基体裂纹演化,讨论了界面摩擦系数、纤维泊松比、界面脱粘韧性以及纤维体积百分比等参数对界面脱粘和基体裂纹演化产生的影响,并与常界面剪应力假设下基体裂纹演化进行了对比。     

界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响

采用细观力学方法研究了界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响.在剪滞模型基础上提出了考虑界面相与界面层效应的力学简化模型,结合临界基体应变能准则、最大剪应力准则、临界纤维应变能准则确定基体裂纹间距、界面脱黏长度和纤维失效百分数,对考虑界面层影响的陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线进行了模拟,讨论了界面层体积分数、弹性模量及泊松比对拉伸行为的影响,并与试验结果进行了对比,发现考虑界面层及界面相的影响时,界面脱黏和纤维失效段应力-应变曲线与试验数据更接近,预测效果更好.      

含界面脱粘三维五向编织复合材料单向拉伸损伤失效机理研究

建立了含界面脱粘的三维五向编织复合材料单向拉伸损伤分析有限元模型.将Tsai-Wu强度准则用于纤维束损伤判断并确定材料失效模式,结合Murakami损伤张量表征材料各向异性损伤,根据失效模式进行材料性能退化;界面相和基体分别采用Quads准则和Mises准则作为失效判据,引入刚度折减;建立了五向编织复合材料的损伤预测模...     

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。     

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。     

低成本聚硅氧烷制备SiC_f／Si-O-C材料性能研究

以聚硅氧烷为先驱体,采用先驱体转化法制备SiCf/Si-O-C复合材料,同时测试所得复合材料的弯曲强度、韧性、剪切强度、密度、热膨胀系数、导热系数、耐烧蚀性能.结果表明,SiCf/Si-O-C复合材料具有良好的综合性能.对所得材料微观结构进行分析讨论,发现界面结构与致密度是SiCf/Si-O-C复合材料具有高性能的主要原因.     

硝胺推进剂界面键合的表征研究

从红外光谱分析，表面（界面）自由能测定、光电子能谱分析等方面，研究了键合剂，包覆固体填料颗粒对界面增强的效果，并与静态力学性能的数据进行了对比，结果表明；取代酰胺类键合剂对ＨＭＸ间的作用力为氢键。效果倨于醇胺，多元胺类化合物，其中一种键合剂对ＨＭＸ的浸润可以在热力学和动力学两方面达到较好的统一，键合效果并不仅仅取决于包覆度的大小，还与键合剂附着在ＨＭＸ表面上形成的界面层或预包覆层的性质有关。     

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％。     

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.      

喷射沉积 SiCp/LY12 复合材料的拉伸性能

研究了喷射沉积SiCp/LY12复合材料的室温及高温拉伸性能。体积分数为15%的复合材料经热挤压和热处理后,室温弹性模量、抗拉强度和屈服强度均有提高,但延伸率下降,高温抗拉强度和弹性模量则显着提高。分析了复合材料室温拉伸性能实验值与理论值的差异,讨论了孔隙率和颗粒分布对拉伸性能的影响。     

CF3052/5284RTM 复合材料湿热性能

通过对CF3052/5284RTM复合材料进行试验研究,测定其在不同湿热条件下的基本力学性能,分析湿热条件对基本力学性能的影响。结果表明:湿热环境对该复合材料力学性能的影响程度不一,其中湿度的作用较温度更加明显;该复合材料在高温湿态条件下保持了较高的拉伸和纵横剪切强度,具有综合力学性能好、耐湿热性能好等优点。     

Fabrication of Ti/Al/Mg laminated composites by hot roll bonding and their microstructures and mechanical properties

Ti/Al/Mg laminated composites were successfully fabricated by hot roll bonding. The effects of the rolling reduction on the microstructural evolution and mechanical properties of the composites were explored. The results show that Ti/Al/Mg laminated sheets exhibit good interfacial bonding. The rolling reduction has a significant effect on the deformation inhomogeneity through the thickness of the Al layer. The initial grains of the Al layer near the Ti/Al interface are fragmented into fine equiaxed grains, and the grains at the center and near the Al/Mg interface are elongated. The R-cube shear texture of the Al layer forms near the Ti/Al interface and permeates into the center layer in the samples with greater rolling reductions. The β-fiber rolling texture of the Al layer is observed near the Al/Mg interface and increases with the increase of rolling reduction. The stress–strain curves indicate that the fracture appears first in the Mg layer. With the increasing rolling reduction, the ultimate tensile and yield strength values increase, and the elongation up to the Mg layer fracture decreases.