纤维复合材料刚度设计的力学原理及其应用

针对航空用纤维复合材料,基于纤维与基体的协调变形规律和材料应变能密度的计算,导出了纤维复合材料的刚度表达式,研究了刚度矩阵的基本力学特性,给出了复合材料刚度矩阵元素与基体材料的刚度、纤维束的刚度及铺设方向的关系,提供了平面铺层和三维取向纤维复合材料的基本刚度设计公式和设计方法。最后给出工程应用设计方法的几个具体例子,并与其他理论和实验结果进行了对比。研究结果表明,在考虑材料制备工艺缺陷造成的刚度折减后,本文提出的设计公式及方法可应用于纤维复合材料的优化设计。     

陶瓷基复合材料高精度宏细观统一本构模型研究

基于高精度通用单胞模型(HFGMC)建立了陶瓷基复合材料(CMCs)的宏细观统一本构模型.首先基于CMCs的细观结构和损伤特点建立代表体元(RVE)并定义细观损伤变量.然后采用HFGMC模型计算细观损伤变量的演化,由此获得宏观应力应变曲线,从而建立了CMCs的宏细观统一本构模型.采用该本构模型预测了CMCs的宏观应力应变曲线,与实验结果吻合良好.结果表明该本构模型能够模拟CMCs的拉伸与损伤行文,为CMCs强度分析提供了有效手段.      

新一代大型客机复合材料

 大量采用复合材料结构是新一代大型客机机体结构设计的突出特点,用量已达结构重量50%。复合材料结构不仅带来了明显的减重效益,而且带来了结构耐腐蚀、疲劳和维护等性能的改善提高。波音787飞机人性化设计的全复合材料机身使乘坐舒适性和便利性得到显著改善。民机复合材料结构技术重点研究解决了复合材料自然环境老化、大型翼面壁板整体成型、机身大开口区载荷重新分布和应力集中、地面维护装备冲击损伤、健康检测等关键技术问题,并且建立了以中模高强碳纤维/韧性环氧树脂复合材料热压罐成形工艺为主的大型客机复合材料结构材料体系。对复合材料机翼和机身结构的设计和工艺关键技术问题做了较为详尽的介绍。     

碳/碳复合材料表面纳米HAp/壳聚糖生物复合涂层的制备

以声化学法合成的纳米羟基磷灰石(HAp)为起始原料,以异丙醇作为分散介质,采用水热电泳沉积法在经壳聚糖(CS)溶液改性后的碳/碳复合材料(C/C)表面沉积纳米HAp/CS生物复合涂层.重点研究了水热条件下沉积电压对复合涂层的晶相组成、形貌和结构的影响规律.采用X-射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶变换红外光谱分析仪(FTIR)和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对所制备的涂层进行表征.结果表明:随着沉积电压的升高,涂层更加致密和均匀;同时水热环境有利于纳米HAp晶粒的生长,制备出的HAp/CS复合涂层不需要后续热处理.     

原位合成TiB_2/6351复合材料热压缩变形特性

采用Gleeble-1500D热模拟试验机对原位合成TiB2(质量分数,8%)/6351复合材料在不同变形温度和不同应变速率条件下的热变形特性进行了研究,利用透射电镜(TEM)和光学显微镜分析了压缩后试样的微观组织.结果表明, 材料的流变应力随变形温度的升高而降低,随应变速率的提高而增大;材料的流变行为主要表现为加工硬化、动态回复和动态再结晶;相应的显微组织特征为:位错网络、混乱的位错团和胞状结构,亚晶及等轴晶.在应变速率和变形温度均较低时,增强体颗粒周围的基体中形成高密度位错区,但随变形温度的升高而减少;在应变速率较高时,增强体颗粒和基体的界面处开裂甚至增强体颗粒本身发生破碎.     

Effect of interface debonding on matrix multicracking evolution of fiber-reinfroced ceramic-matrix composites

An analytical methodology was developed to investigate the effect of fiber/matrix interface debonding on matrix multicracking evolution of fiber-reinforced CMCs(ceramic-matrix composites). The Budiansky-Hutchinson-Evans shear-lag model was adopted to analyse the micro-stress field of the damaged composites. The critical matrix strain energy criterion, which presupposes the existence of an ultimate or critical matrix strain energy with matrix, was obtained to simulate the matrix multicracking evolution of CMCs. With the increase of the applied stress, the matrix multicracking and fiber/matrix interface debonding occurred to dissipate the additional energy entered into the composites. The fiber/matrix interface debonded length under matrix multicracking evolution was obtained by treating the interface debonding as a particular crack propagation problem. The conditions for no-debonding and debonding during the evolution of matrix multicracking were discussed in terms of two interfacial properties, i.e., the interface shear stress and interface debonded toughness. When the fiber/matrix interface was bonded, the matrix multicracking evolution was much more intense compared with the interface debonding; when the fiber/matrix interface was debonded, the matrix crack density increased with the increasing of interface shear stress and interface debonded energy. The theoretical results were compared with experimental data of unidirectional SiC/CAS(calcium alumina silicate), SiC/CAS-Ⅱ and SiC/borosilicate composites.      

Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型开裂性能预测

基于Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型断裂韧性的试验结果、Z-pins增强机理,提出了Z-pins拔出的单线性软化模型.重点考虑了Z-pins直径范围内拔出位移的不一致性,在简单双悬臂梁（DCB）理论的基础上,获得了Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型开裂性能的分析预测模型,预测结果与试验结果吻合较好.在此基础上,采用预测模型获得了不同Z-pins直径、裂纹长度下的裂尖能量释放率,并与理想弹簧元法进行了比较.结果表明:当裂尖靠近Z-pins时,随着Z-pins直径增大,两种方法所得的裂尖能释放率的差异逐渐增大,但总体来说差异的量级很小;随着裂纹长度的增加,裂尖逐渐远离Z-pins,两种方法所得的裂尖能释放率的存在较大的差异,不能忽略Z-pins直径范围内拔出位移不一的影响.      

固体冲压发动机喷管用C/C-SiC复合材料

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺制备固体冲压发动机用C/C-SiC复合材料喷管内层,综合考查复合材料的微观结构、弯曲性能和抗烧蚀性能以及固冲发动机C/C-SiC喷管内层水压和点火实验。结果表明:复合材料的弯曲强度达到197 MPa,且断裂破坏行为呈现典型的韧性模式;复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,氧化烧蚀200 s后线烧蚀率仅为0.0063 mm·s-1;研制的C/C-SiC复合材料构件的水压爆破压强为6.5 MPa,表明构件具有良好的整体承载能力;C/C-SiC复合材料喷管内层高温综合性能通过了固体冲压发动机点火实验考核。     

液体天然橡胶对湿法混炼制备天然橡胶/白炭黑复合材料性能的影响

采用湿法混炼工艺制备天然橡胶/白炭黑(W(NR/SiO_2))复合材料,并采用液体天然橡胶(LNR)为增容剂,探讨了LNR对复合材料硫化特性、橡胶加工性能、白炭黑分散性、静态力学性能及动态性能的影响。结果表明:LNR具有较好的增容效果;使用LNR增容后,胶料的正硫化时间缩短,在白炭黑为70 phr时T_(90)缩短4.16 min,加工性能改善;白炭黑在NR中的分散性提高;胶料力学性能得到改善,在白炭黑为60 phr时最明显,拉伸强度和撕裂强度分别提高25.73%和66.59%;LNR增容后胶料的抗湿滑性提高且滚动阻力降低。复合材料良好的相容性是LNR与NR和白炭黑两相同时发生作用形成增容界面的结果。     

先进复合材料国防科技重点实验室的航空树脂基复合材料研发进展

归纳先进复合材料国防科技重点实验室在航空先进树脂基复合材料方面的应用和研究进展.研制出超薄热塑性无纺织物层间增韧技术以实现提高复合材料的CAI性能.设计出的多夹层结构具有多层吸收拓展频带的作用,使多夹层隐身复合材料的吸收频宽达1 ～ 18GHz.高韧性树脂基复合材料和耐高温复合材料技术得到发展,并形成预浸料-热压灌成型、液态成型和自动化制造技术体系.发展复合材料固化、树脂流动、固化变形等模拟优化技术,并建立复合材料数据库技术.建立先进复合材料国防科技重点实验室可在支撑航空装备研制,在航空复合材料创新引领、体系主导、基础支撑和保障应用方面发挥作用.