超低温对T700碳纤维/环氧复合材料弯曲性能的影响

研究正交铺层的碳纤维增强环氧树脂基复合材料（CFRP）在超低温的环境下的弯曲性能和损伤破坏形式。对复合材料试样进行不同时间的液氧浸泡处理和不同次数的常温/液氧温度热循环处理来模拟液氧燃料贮箱使用工况,通过配有超低温试验装置的力学试验机研究CFRP在不同超低温条件处理前后的低温弯曲强度和弯曲模量的变化规律;采用扫描电子显微镜（SEM）对破坏前后试样的微观形貌进行分析。结果表明,经过液氧浸泡及常温/液氧温度热循环处理的CFRP的超低温弯曲强度和模量变化趋势基本一致,均随时间和循环次数的增加先下降后上升,这种变化规律与其超低温环境下材料的微观结构变化密切相关。结合CFRP破坏前后的宏观和微观结构特性以及微裂纹的扩展规律,揭示了正交铺层CFRP超低温弯曲性能变化的 机理。     

C/C复合材料表面烧蚀细观形貌损伤分析

基于C/C复合材料烧蚀表面细观形貌和细观结构上的流场分布规律研究,着重分析了微裂纹尺寸对C/C复合材料中Z向纤维和基体界面上因变温引起的开裂损伤的影响,给出了微裂纹随温度变化的扩展规律及微裂纹特征尺寸随温度变化的表达式;提出了在高温下因变温而造成的损伤模型,为C/C复合材料结构烧蚀计算提供了一种基础性理论。研究结果表明,高温下变温会引起C/C复合材料力学性能的劣化。     

含缺陷三维编织复合材料热膨胀系数计算

通过将细观力学的Ｅｓｈｅｌｂｙ和Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ理论与刚度平均化方法相结合，对含定向基体微裂纹的三维编织复合材料热膨胀系数进行了理论计算，分析了纤维体积含量，微裂纹密度和编织参数变化对热膨胀系数的影响，为材料设计和应用提供了理论基础。     

基于全域CZM的复合推进剂细观损伤与断裂研究

采用全域CZM模型模拟了复合固体推进剂从细观脱湿到基体开裂,直至微裂纹扩展汇合,最后断裂破坏的演化过程,探索了其宏观力学行为发生发展的内在原因。数值模拟结果在微裂纹的开裂特征以及推进剂的宏观应力-应变曲线等方面与试验结果吻合较好。研究结果表明,采用全域CZM模型能有效模拟复合推进剂材料细观断裂破坏过程及其宏观力学性能;通过参数反演可知混合基体的初始刚度远小于颗粒/基体界面的,而粘接强度和粘接能大于界面的,这使得基体易变形而界面先脱湿;可将推进剂受拉伸载荷的细观力学行为分为四个阶段:无损伤变形阶段、界面部分脱湿阶段、脱湿与基体开裂并存阶段、微裂纹聚合断裂阶段。     

石墨粉对LSI法制备C/C-SiC复合材料性能的影响

在酚醛树脂中添加石墨粉,采用模压法制备出CFRP材料,在不同温度热解转化为C/C复合材料,然后反应熔渗(LSI)硅制备出C/C-Si C材料,研究了石墨粉对材料的微结构、毛细渗透行为及机械性能的影响。结果表明,热解后C/C材料中的石墨粉和碳基体之间形成了剥离型微裂纹,但层间结合良好,且弯曲性能和未添加石墨粉C/C材料相当,同时石墨粉的添加降低了C/C材料毛细增重速率。热解温度对C/C材料的孔隙率、弯曲强度和毛细渗透行为均有显著影响。不同条件C/C材料硅化后制备的C/C-Si C弯曲强度基本相当,在120~130 MPa,表明热解温度和石墨粉对C/C-Si C材料的弯曲性能没有明显影响。     

损伤形式对三维编织复合材料细观结构和弯曲性能的影响

通过分析损伤前后三维编织复合材料细观结构的变化,建立了剩余纱线长度的计算公式.对损伤前后三维编织复合材料试件进行了三点弯曲实验,分析了材料弯曲强度和弯曲弹性模量的变化规律和失效形式.主要讨论了2种编织角和4种损伤方案,包括沿宽度方向单边切割、沿宽度方向双边切割、沿厚度方向单边切割、沿宽度和厚度方向同时切割.实验结果表明,损伤前后的弯曲性能均随编织角的增大而减小;沿宽度方向切割对弯曲性能影响不明显,沿厚度方向切割对弯曲强度和模量影响较大,沿厚度和宽度同时切割的试件力学性能下降最大,接近60%.切割面受拉试件比切割面受压试件的弯曲性能降幅稍有增大.     

低温推进剂复合材料贮箱基体开裂预测方法

基于六边形单胞模型,构建了宏细观结构力学响应场间的关联矩阵,建立了低温推进剂复合材料贮箱结构的宏细观一体化分析方法,采用工程常用的能够预测不同失效模式的宏细观强度准则,对机械和温度载荷下复合材料层合板的基体开裂进行预测。结果表明:在机械载荷下,与试验数据相比,宏观Hashin准则、改进的宏观Tsai-Wu准则、细观最大应力准则和细观Hashin准则均具有良好的预测精度。但在温度载荷下,由于考虑了组分材料间热力学性能的不匹配,使用细观强度准则与宏观强度准则预测的结果相比具有一定差异。通过对不同载荷情况下基体开裂预测结果的分析,提出了采用细观最大应力准则作为基体开裂判据,同时结合考虑组分材料热力学性能差异影响的宏细观一体化分析方法,可以有效地对低温推进剂复合材料贮箱结构的基体开裂进行预测。     

基于CRKSPH的炸药巴西压裂仿真研究

使用守恒型再生核粒子(CRKSPH)方法,结合弹脆性损伤本构模型,对PBX9501炸药标准巴西试验断裂过程进行了仿真,并对炸药内裂纹的产生和分布进行了预测。计算中,使用CRKSPH方法,可有效地提高计算精度和避免人工粘性误差;本构模型基于PBX9501炸药材料细观结构特征和破坏模式,并使用损伤参数D(单位面积上微缺陷的密度)来表征材料的破坏程度;计算结果中,试件断裂形式和中心点应力结果与文献中试验结果符合较好,而且加载速率对试件的断裂形式和断裂时间均有一定的影响。研究表明,CRKSPH方法在计算PBX9501炸药断裂损伤及裂纹扩展问题上有一定的工程实用价值。     

高温处理过程C/C复合材料微结构演变规律

对热解炭基、热解炭-树脂炭基C/C复合材料进行了1 500、1 800、2 100、2 500℃高温热处理。采用X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪,对不同热处理温度及未进行热处理的2种C/C复合材料纳米尺度结构进行了表征;采用扫描电子显微镜、压汞仪,检测了其微米尺度孔隙缺陷。结果表明,随热处理温度的增加,微米尺度C/C复合材料的孔隙率逐渐增加,材料中裂纹型孔隙缺陷在热处理过程中,没有沿裂纹尖端的应力集中区域扩展,而是沿裂纹的宽度方向变化;纳米尺度C/C复合材料炭结构向理想微晶结构转变,缺陷逐渐减少,其变化趋势和微米尺度孔隙率的变化很相似。随热处理温度的增加,纳米尺度1-d002与微米尺度孔隙率呈线性关系趋势,并据此获得了用微米尺度孔隙率变化表征C/C复合材料石墨化度的经验公式。     

基于数字图像处理的复合固体推进剂细观损伤行为研究

为研究复合固体推进剂HTPB、NEPE和GAP推进剂的细观损伤行为,采用原位拉伸扫描电镜实验、数字图像处理技术和分形维数理论相结合的方法定性、定量地分析了推进剂在拉伸过程微裂纹的产生及演变过程。结果表明,HTPB推进剂拉伸破坏的起始点为大粒径的AP颗粒破裂形成的微裂纹,拉伸过程无明显“脱湿”,其裂纹变化趋势可以用拉伸过程裂纹分形维数描述;裂纹分形维数与拉伸过程的力-伸长率曲线一致。NEPE推进剂拉伸过程中主要的损伤是固体颗粒“脱湿”,有部分AP颗粒破裂。GAP推进剂中AP颗粒和CL-20颗粒与粘合剂基体均未见明显脱粘,拉伸破坏的起始点为AP颗粒脱落形成的凹坑和AP颗粒堆积区域。揭示的三类复合固体推进剂在细观层面的损伤演化特点,可为推进剂力学性能研究提供理论参考。     

变刚度CFRP层合板在低速冲击下的分层失效分析

通过窄带曲线铺放技术制备获得变刚度复合材料层合板结构件,不仅可大大增加结构件设计优化的自由度,还可以改善其机械特性。开发了基于三维Hashin失效准则的VUMAT用户子程序,分析变刚度复合材料层合板在低速冲击工况下的渐进损伤行为。以CFRP常刚度层合板和七组不同变刚度铺层百分比的层合板为研究对象,研究变刚度碳纤维复合材料层合板在低速冲击载荷下的力学响应特性,以分层损伤面积和能量吸收为指征进行对比分析。变刚度铺层百分比为50%的层合板单层损伤面积相比常刚度层合板减少了2.57%,且层合板底层没有出现分层损伤的完全失效情况。研究结果表明,合理的变刚度铺层可以提升层合板的抗弯刚度,并使层合板在低速冲击载荷下吸收能量更少,提高了抗分层损伤性能。     

柔性基体TWF复合材料弹性性能研究

利用碳纤维三向编织物（Triaxial Woven Fabric TWF）作为增强材料，与合适的柔性基体材料（例如硅橡胶）复合，制成兼具一定柔性和刚性的碳纤维三向编织物复合材料壳膜结构，作为可折叠展开的卫星天线反射器，是一种新型的高精度可展开天线实现方案。文章对采用硅橡胶的TWF复合材料进行了弹性性能的研究。采用细观方法，通过研究纤维和基体之间的相互作用，确定复合材料宏观力学性质与组份材料特性及细观结构之间的定量联系，对表征编织复合材料结构特性的三维单胞进行了均匀化有限元分析，最终将得到整个复合材料的弹性模量。首先，考虑纤维束交织情况（起伏波动）对单胞进行了精细几何建模，通过混合规则得到纤维束的材料特性；接下来，对单胞进行了有限元的分析，施加周期性边界条件，应用均匀化的方法通过6个独立加载分析得到体积平均应力、应变，从而得到刚度矩阵，最终获得工程常数。目前国内外对于柔性基体TWF复合材料的研究较少，对该材料弹性性能的研究，为今后该材料性能的进一步深入研究打下了坚实基础。     

复合固体推进剂细观损伤形貌数值模拟

为准确模拟固含量不同时复合固体推进剂细观损伤产生、演化、聚合至宏观裂纹形成的过程,及该过程对复合固体推进剂非线性力学性能的影响,采用分子动力学方法建立了复合固体推进剂颗粒夹杂模型,根据Surface-based cohesive方法,在AP颗粒与基体之间的界面处设置接触损伤。利用有限元法,对含损伤颗粒夹杂模型进行计算,通过对比数值仿真结果,研究了固含量及界面损伤对复合固体推进剂细观损伤形貌及宏观力学性能的影响。结果表明,当固含量较低时,颗粒与基体之间界面损伤的聚合往往发生在少部分颗粒之间,随固含量增大,参与界面损伤聚合的颗粒逐渐增多,形成的宏观裂纹越来越明显;颗粒与基体之间的界面损伤,对复合固体推进剂非线性力学性能影响较大,不可忽略。     

准静态拉伸下固体推进剂三维结构变形损伤失效机理研究

为揭示固体推进剂在准静态拉伸下变形损伤过程，依靠微型材料试验机在上海同步辐射光源BL13W1线站搭建了原位显微CT测试系统，对HTPB推进剂试样在准静态拉伸下变形损伤过程进行了三维原位实时表征，像素尺寸3.74μm。基于上述试验结果，分析了目标微细观结构演化过程及孔隙率与材料宏观损伤之间的关系。结果表明，固体推进剂内部微裂纹的出现早于应力-应变曲线达到拉伸极限强度点。利用图像分割技术精确提取了AP颗粒、Al粉颗粒、微裂纹与HTPB基体相，并对AP颗粒与Al粉颗粒的三维拓扑结构进行了定量描述。微裂纹的成核集中在较大且形貌不规则的AP颗粒与HTPB基体界面。最后，观察到裂纹在固体推进剂内部的水平传播和竖直合并两种传播模式，并以水平传播为主导。     

薄界面3DC/SiC复合材料的热震损伤机制

为了研究薄界面3D C/SiC复合材料的热震行为,利用高频加热器在氩气保护环境中进行了700～1200℃的热震试验,然后基于热震试验后复合材料微结构变化和剩余强度变化,结合热应力的计算,确定了薄界面3D C/SiC复合材料的热震损伤机制.研究发现,在700～1200 ℃之间热震时,薄界面3D C/SiC复合材料会发生基体开裂和界面脱粘.基体开裂与裂纹扩展导致复合材料强度降低,界面脱粘导致复合材料强度提高.薄界面3D C/SiC复合材料的基体裂纹在热震50次左右达到饱和,裂纹饱和前,强度逐渐降低;裂纹饱和后,强度逐渐提高.     

基于非线性系数的金属构件寿命预测研究

通过对位错引起的超声非线性行为理论模型的研究,发现超声非线性系数的变化与疲劳损伤累积过程中位错密度的变化趋势相对应。基于上述理论,利用非线性超声对45#钢三点弯曲试件的微裂纹扩展进行了检测,实验发现位错密度的变化趋势与微裂纹扩展的3个阶段紧密相关。因此,利用非线性系数作为特征参数实现了对微裂纹扩展不同阶段的表征,从而实现了金属构件剩余寿命的预测,并且验证了超声非线性系数与位错密度成正比的位错理论。     

双马来酰亚胺树脂和环氧树脂复合材料在极端温度下的性能对比

文章针对卫星复合材料天线在轨工作的高、低温温度环境,选择了玻璃化温度在220℃以上的双马来酰亚胺树脂和改性增韧环氧树脂作为新一代高模量碳纤维复合材料树脂的候选基体。在常温、极端低温-196℃和高温＋150℃测试了两种树脂基体碳纤维复合材料的力学参数,包括弯曲强度、弯曲弹性模量、层问剪切强度和热膨胀系数等。同时,对统计测试结果进行了分析,对比了两种树脂在温度环境下的性能差异。最后根据强度差异、热膨胀性能差异和工艺过程的复杂性,选择了改性增韧环氧树脂5224作为新一代卫星天线产品碳纤维复合材料的树脂基体材料。     

烧结温度对C/C-ZrC-SiC复合材料性能的影响

以葡萄糖作为碳源,硅溶胶作为硅源,氧氯化锆作为锆源,采用水热共沉积-碳热还原法制备了C/C-ZrC-SiC复合材料,研究了材料的烧结温度对C/C-ZrC-SiC复合材料的微观形貌、力学性能和耐烧蚀性能的影响。结果表明,烧结温度对水热共沉积制备C/C-ZrC-SiC复合材料的性能影响显著。水热共沉积制备的C/C-ZrO_2-SiO_2陶瓷在1600℃下烧结,可获得C/C-ZrC-SiC复合材料,ZrC和SiC陶瓷相颗粒粒径约为500 nm,在基体中均匀分布。1600℃烧结的C/C-ZrC-SiC复合材料表现出最佳的力学性能和抗烧蚀性能,其最大弯曲强度为173.8 MPa,质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.28×10~(-4)g/(cm~2·s)和1.67μm/s。过高的烧结温度导致晶粒粗大、孔隙缺陷增多,使得复合材料力学性能恶化、抗烧蚀性能大幅降低。     

考虑孔隙缺陷三维编织C/C复合材料渐进损伤及强度预测（英文）

为研究三维编织C/C复合材料单轴拉伸渐进损伤与失效强度,考虑了材料内部纤维增强相、基体相和界面随机孔隙缺陷,建立了三维编织C/C复合材料单胞有限元模型。基于Linde等人提出的破坏准则描述纤维束纵向拉伸剪切破坏和横向破坏,基体采用最大主应变破坏准则,界面采用双线性内聚力本构模型和二次应力破坏准则,建立了与单元特征尺度、局部应变以及断裂能相关的指数型损伤演化律。采用有限元法结合周期性边界条件模拟了材料细观损伤起始、演化与失效过程,并预测了材料轴向拉伸强度。结果表明;材料轴向拉伸强度主要由纤维棒纵向拉伸强度控制,与不考虑材料孔隙缺陷的模拟结果相比,考虑材料孔隙缺陷的强度预测值与实验值更加接近,此外,孔隙缺陷对材料拉伸强度的影响大于对拉伸模量的影响。     

热处理对高硅氧织物增强甲基硅树脂复合材料室温弯曲强度的影响

研究了不同热处理温度对高硅氧织物增强甲基硅树脂复合材料室温弯曲强度的影响。结果表明,复合材料室温弯曲强度随着热处理温度的升高而降低,且在200~300℃、400~500℃分别出现了2个降低最快的温度区间。采用扫描电镜对复合材料弯曲断口的表面形貌进行了观察,并通过热重分析仪分别对基体树脂及增强体的热稳定性进行了测量。综合分析结果表明,当热处理温度低于400℃时,复合材料弯曲强度的降低主要是由于基体树脂与增强体之间的界面失效所致;而当热处理温度高于400℃时,增强体与树脂之间发生反应,导致增强体失效,是致使复合材料室温弯曲性能进一步下降的主要原因。