界面损伤对正交叠层板最终拉伸强度的影响

基于现有应力集中分析结果及随机扩大临界核统计理论,对正交(混杂)叠层复合材料中由于90°层的基体开裂、层间界面破坏、0°层中部分纤维断裂及纤维/基体界面损伤相互作用的最终拉伸破坏过程进行统计分析.计算结果为现有的实验所证实.计算结果表明,正交叠层板的最终拉伸强度与界面剪切强度有关,适宜的界面黏结,相应的强度最高.本研究可对此类复合材料的最终拉伸强度作出合理的预报,并为复合材料叠层板的优化设计提供理论依据.     

界面损伤对单向复合材料应力集中的影响研究

采用计及基体刚度的修正的剪滞模型，研究了含纤维／基体界面剪切屈服效应的单向纤维增强复合材料的应力重新分布问题，定量地讨论了界面剪切强度及纤维／基体拉伸刚度比对应力集中及界面剪切屈服区长度的影响。结果表明，界面的剪切屈服或脱粘可有效地降低纤维的应力集中，应力集中因子随界面剪切强度及纤维／基体拉伸刚度比的增加而增加；界面剪切屈服区长度则随界面剪切强度的增加而减小，随拉伸刚度比的增加而增加。     

CFRP-混凝土黏结界面的剪切滑移性能

碳纤维增强复合材料(CFRP)广泛用于结构构件的加固和修复。为了进一步了解CFRP加固混凝土结构的力学特性,本文针对CFRP-混凝土黏结界面的剪切滑移性能,开展准静态拉伸-剪切试验研究,得到界面剪应力-位移曲线和CFRP应变分布以及CFRP-混凝土界面的剪切破坏形态;揭示了CFRP-混凝土界面剪切滑移破坏机理;建立了CFRP-混凝土界面精细化有限元分析模型。分析结果表明:在界面剪力作用下,加固试件会发生界面混凝土脆性剪切破坏,CFRP和环氧树脂黏结层则无明显损伤,界面剪切强度由混凝土抗剪强度控制;监测CFRP初始应变分布无法预测破坏面;即使设置非黏结区,混凝土试件端部仍然被拉下三角形块体,其大小受有效黏结区影响;在黏结区与非黏结区交界处,CFRP的应变随荷载呈线性增大;有效黏结长度为粘贴长度的51%;建立的数值计算模型也得到了试验结果的验证。     

割口单向复合材料的拉伸应力集中及强度

通过建立一种分层剪滞模型,并采用复合材料的统计断裂理论,研究了中心割口单向复合材料的拉伸应力集中及强度,得到了与现有理论和实验较为一致的结果,结果表明：应力集中和强度与割口长度及界面剪切强度有关;适宜的界面黏结,相应的强度最高。     

冷等离子体接枝对碳纤维（CF）／聚酰亚胺（PMR—15）复合材料界面性能的影响

本文通过测定ＣＦ／ＰＭＲ—１５复合材料的层间剪切强度、拉伸强度和冲击强度，研究了碳纤维表面冷等离子体接技对其ＰＭＲ—１５复合材料界面的强度和韧性的影响，并讨论了ＣＦ／ＰＭＲ—１５断口形貌和断裂机制。     

PDC-Ⅱ/连续单向碳纤维复合材料研究

研究了PDC—Ⅱ/连续单向碳纤维复合材料的弯曲强度、层间剪切强度、冲击强度与树脂含量的关系,并观察了层间剪切和冲击破坏试样断面的形态、界面,讨论了树脂和碳纤维组分对复合材料力学性能的贡献。     

界面强度对柔颗粒增强复合材料破裂特性的影响

界面强度对复合材料的破裂特性和破裂机理具有非常重要的影响。研究了不同界面强度的柔颗粒增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能和破坏过程。在细观尺度上考虑了材料介质力学参数的非均匀分布,采用基于细观损伤力学开发的针对材料破坏过程分析的RFPA2D数值模拟程序,对复合材料从裂纹萌生、扩展直至失稳破坏的全过程进行数值模拟。结果表明,当界面结合较强时,复合材料主要发生穿晶破坏,材料韧性较好但强度较差;当界面结合较弱时,复合材料主要产生沿晶破坏,材料韧性较差而强度较好。     

纤维金属3维复合材料力学性能研究

研究不同排列方式的纤维金属3维复合材料在不同方向上的力学性能和失效模式,对复合材料试样进行拉伸试验、三点弯曲试验及静态压入试验.拉伸试验表明[0°/0°]排列的复合材料在纤维方向上具有最高的拉伸模量、屈服强度及拉伸强度,而在垂直于纤维方向上具有很低的力学性能.[0°/90°]排列的复合材料由于其仅一侧纤维受拉,其力学性能相对较弱,且变形模式表现为试样的弯曲变形.[0°/0°]和[0°/90°]两种方式排列的复合材料的拉伸剪切性能差别较小.弯曲试验表明[0°/0°]排列方式的复合材料在纤维方向上的抗弯能力最高.静态压入试验表明,[0°/0°]和[0°/90°]的复合板具有近似的抗压入破坏能力.试样破坏模式显示,纤维金属3维复合材料未出现界面失效等结构性破坏,具有优良的界面强度.      

单纤维段试验中载荷传递机理的微观力学分析

提出了一种新的、单纤维段埋入法(SFFM)试验中载荷传递机理的微观力学模型。当纤维/树脂界面所受到的剪切应力超过了界面的粘结剪切强度后,界面将发生脱粘,并且脱粘裂纹将沿着界面扩展。以Weibull模型来模拟纤维轴向拉伸强度的统计分布。讨论了纤维轴向拉伸强度以及界面粘结剪切强度对复合材料各组分内部应力分布的影响。认为在给定复合材料各相的弹性常数和几何参数后,根据不同的纤维轴向拉伸强度以及界面性能(包括界面粘结剪切强度、界面的摩擦系数和基体的径向压力),可以将单纤维段试验中纤维/树脂界面的状态清楚地分为三类:1)完全粘结界面;2)部分粘结界面;3)完全摩擦界面。给出了单纤维段试验过程中界面处于上述三种状态下时,所必须满足的一些条件。最后,还给出了极限纤维段长度的一个合理的定义,并说明该长度是由粘结纤维长度和脱粘纤维段长度所构成。     

界面性质对颗粒增强复合材料力学性能和破裂过程的影响

界面的力学性质对复合材料的力学特性和破裂机理具有非常重要的影响。研究了具有不同强度界面的颗粒增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能及其破坏过程。从细观尺度考虑了各相材料力学参数的非均匀分布,采用基于细观损伤力学开发的针对材料破坏过程分析的MFPA2D数值模拟程序,对复合材料从裂纹萌生、扩展直至失稳破坏的全过程进行数值模拟。结果表明,当界面结合较强时,复合材料的强度较高但韧性较差;当界面结合较弱时,复合材料的强度较弱而韧性较强,说明较强的界面可有效传递荷载,而较弱界面可增加复合材料的韧性。     

纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结性能钻芯拉拔试验研究

为研究纤维水泥砂浆与混凝土界面黏结性能,采用钻芯拉拔法试验制作模拟中型柱混凝土构件,并分别外包不同强度的聚乙烯醇纤维水泥砂浆、聚丙烯纤维水泥砂浆、钢纤维水泥砂浆。对制作的试验构件进行钻芯拉拔试验,得出界面破坏时的拉拔力,将得到的不同类型的纤维水泥砂浆构件拉拔力数据与构件混凝土轴心抗拉强度、纤维水泥砂浆抗压强度进行比较分析。结果表明,在该试验中合成纤维水泥砂浆的界面黏结强度比钢纤维水泥砂浆的界面黏结强度高;界面黏结强度与构件混凝土轴心抗拉强度呈正相关关系,与纤维水泥砂浆抗压强度呈正相关关系,界面黏结力与砂浆抗压强度呈线性相关关系。     

不同改性方法对竹塑复合材料拉伸性能的影响

研究了纳米碳酸钙浸渍改性对单根竹纤维表面碳酸钙附着情况、拉伸性能以及竹纤维/聚丙烯复合材料拉伸性能的影响,并将改性效果与纳米碳酸钙原位沉积改性进行对比。结果表明,纳米碳酸钙浸渍改性可以使碳酸钙颗粒均匀填充竹纤维表面微孔、褶皱等缺陷部位,附着的碳酸钙颗粒粒径均匀,分散性较好,附着量达到21.39%。经浸渍改性的单根竹纤维力学性能有所提高,拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率分别提高了15.98%、22.15%和5.21%,但提高幅度低于原位沉积改性。分别将纳米碳酸钙浸渍、原位沉积改性竹纤维与聚丙烯薄膜制成竹塑复合材料,通过断面形貌观察发现两种改性方法均可改善竹纤维与聚丙烯的界面结合性能,复合材料拉伸性能相应提高,浸渍改性使复合材料拉伸强度和弹性模量分别提高了6.95%和15.80%,原位沉积改性分别提高18.68%和25.41%。虽然浸渍改性效果低于原位沉积改性,但工艺更简单。     

纳米SiO2修饰玻纤表面对玻纤/聚丙烯复合材料界面性能的影响

借助纳米颗粒的高比表面积特性,将纳米二氧化硅通过化学接枝方法修饰玻璃纤维表面,制备玻璃纤维/聚丙烯（PP）热塑复合材料。通过SEM表征纳米二氧化硅在玻璃纤维表面的分布形态,结果表明纳米颗粒在纤维表面分散良好;通过界面剪切强度测试（IFSS）和界面断裂韧性测试（G_ⅡC）表征复合材料界面的静态力学性能,结果显示材料的界面剪切强度与界面断裂韧性同时获得了较大的提升;动态热机械分析测试（DMA）的结果表明复合材料在动态测试下的综合界面结合性能均得到较大的提升。     

Adhesion of PBO Fiber in Epoxy Composites

The high mechanical and thermal performance of poly p-phenylene- 2, 6-benzobisoxazole ( PBO ) fiber provides great potential applications as reinforcement fibers for composites. A composite of PBO fiber and epoxy resin has excellent electrical insulation properties, therefore, it is considered to be the best choice for the reinforcement in high magnetic field coils for pulsed magnetic fields up to 100 T.However, poor adhesion between PBO fiber and matrix is found because of the chemically inactive and/or relatively smooth surface of the reinforcement fiber preventing efficient chemical bonding in the interface, which is a challenging issue to improve mechanical properties. Here, we report the surface modification of PBO fibers by ultraviolet (UV)irradiation, O2 and NH3 plasma, as well as acidic treatments. The interfacial adhesion strength values of all the treatments show the similar level as determined for aramid fibers by pull-out tests, a significant impact on fibermatrix-adhesion was not achieved. The surface free energy and roughness are increased for both sized and extracted fibers after plasma treatments together with maleic anhydride grafting. The sized fiber shows marginal improvement in adhesion strength and no change in fiber tensile strength because of the barrier effect of the finish.For the extracted fiber, different surface treatments either show no apparent effect or cause reduction in adhesion strength. Atomic force microscopy (AFM) topography analysis of the fracture surfaces proved adhesive failure at the fiber surface. The fiber surface roughness is increased and more surface flaws are induced, which could result in coarse interface structures when the treated fiber surface has no adequate wetting and functional groups. The adhesion failure is further confirmed by similar adhesion strength and compression shear strength values when the fiber was embedded in various epoxy resins with different temperature behavior. The tensile strength of fiber is sensitive to surface treatment conditions as revealed by a bimodal Weibull statistical distribution analysis. Considerable strength reduction occurred, particularly for cases of acidic and plasma treatments, while UV irradiation shows the better ability to retain fiber strength.     

非概率可靠性的拉伸载荷下飞机含孔复合材料安全性分析

针对拉伸载荷作用下飞机含孔复合材料易发生损伤失效的问题,为研究穿透型圆孔对复合材料安全性的影响,根据某型飞机实际使用的碳纤维复合材料,设计了无孔和含孔试样进行拉伸试验,获得宏观拉伸性能参数,对比分析穿透型圆孔对拉伸性能的影响;基于非概率可靠性分析方法,采用最小无穷范数指标,分别对训练强度提高前后的拉伸强度可靠性进行计算与分析,并总结了复合材料安全性分析方法。结果表明：穿透型圆孔会导致该复合材料拉伸强度的大幅下降,而对拉伸刚度影响不大,且拉伸强度下降率与孔径成正比;穿透型圆孔会引起该复合材料拉伸强度可靠性的大幅下降,下降程度随孔径的增大而增大;训练强度提高后,可靠性进一步下降,三种孔径的复合材料拉伸强度可靠性均降至1以下,严重影响复合材料安全性。     

稀土处理对F-12纤维/环氧复合材料拉伸性能的影响

分别采用稀土改性剂（RES）、环氧氯丙烷（ECP）接枝改性方法对F-12芳纶纤维表面进行改性处理,研究这两种表面改性方法对F-12纤维的单丝拉伸强度及其环氧复合材料拉伸性能的影响．探讨了改性剂中稀土元素质量分数对复合材料拉伸性能的影响,并应用扫描电子显微镜（SEM）对复合材料拉伸试件的断口进行分析．结果表明,RES能很好地提高F-12纤维和环氧基体的界面结合力,从而明显地提高复合材料的拉伸性能,并且对纤维的单丝拉伸强度几乎没有影响．     

稀土处理对碳纤维增强聚四氟乙烯复合材料拉伸性能的影响

采用空气氧化、空气氧化后稀土改性和稀土改性对碳纤维表面进行处理,并研究了3种表面处理对碳纤维增强聚四氟乙烯(CF/PTFE)复合材料拉伸性能的影响.探讨了稀土含量对于复合材料拉伸性能的影响,并运用扫描电子显微镜(SEM)对复合材料拉伸试件的断口进行分析.结果表明:稀土处理能够有效地提高碳纤维与聚四氟乙烯基体的界面结合力,从而提高CF/PTFE复合材料的拉伸性能.当稀土元素在表面改性剂中的质量分数为0.3%时,CF/PTFE复合材料的拉伸性能最佳.     

具有纤维损伤的单向复合材料强度的统计分析

本文对随机扩大临界核统计模型进行了推广，使之适用于含在纤维损的单向纤维增强复合材料拉伸破坏的统计分析，基于复合材料的细观随机破坏机理，导出了含纤维损伤的复合材料的强度分布函数和相应的破坏准则，求出了理论统计强度值，结果表明，复合材料的强度随连续损伤纤维数及试样尺寸的增大而减小。