玄武岩纤维TRC板拉伸性能试验研究

采用短切钢纤维体积掺量为0%、0.8%、1.6%的3种精细混凝土基体分别制备玄武岩纤维TRC板,并对纤维编织网施加不同水平的预拉力,通过单轴拉伸试验,考察了各类TRC板试件的应力-应变关系和裂缝形态.试验结果表明:随着纤维编织网层数的增加,TRC板试件的开裂荷载减小,极限荷载和极限应变均增大,裂缝形态得到很大改善.随着纤维编织网上预拉力水平的增加,TRC板试件的开裂荷载增大,极限荷载并未产生明显变化,极限应变减小,裂缝逐渐表现出不良的形态.TRC板试件的拉伸性能与短切钢纤维掺量和预拉力水平均存在一定的相关性;当基体混凝土中掺加体积分数为1.6%的短切钢纤维且纤维编织网上施加的预拉力大小合适时,TRC板试件表现出相对较好的拉伸性能.     

大模量比短纤维增强复合材料应力分布预测

提出了适用于纤维模量远大于基体模量时短纤维增强复合材料(SFRC)轴向应力分布的预测公式。建立了SFRC的轴对称单胞模型,对不同模量比下SFRC的纤维轴向应力分布进行了数值计算。通过与现有理论模型得到的应力分布对比表明,当纤维和基体弹性模量比小于37时,现有理论模型得到的纤维轴向应力和界面剪切应力均与有限元分析结果相吻合;当模量比大于37时,现有理论模型得到的界面剪应力与有限元分析结果基本保持一致,但是纤维轴向应力与有限元分析结果相差较大。与Hsueh模型相比,提出的预测公式与实验结果更为接近。     

热/机械载荷作用下金属基复合材料多纤维断裂的应力场

作为研究金属基复合材料破坏特性的前期工作,主要讨论了在热/机械载荷作用下多纤维断裂的复合材料应力场.运用影响函数加权叠加方法求解复合材料多纤维断裂时的应力场,并利用了已得出的结论:断裂纤维只对附近纤维与基体的应力有影响.可将影响函数仅建立在与断裂纤维紧邻的纤维和基体范围内.根据以上结论,对求解多纤维断裂问题的模型进行简化,基于剪切滞后模型理论,控制微分方程建立在受纤维断裂影响的纤维和基体范围内,大大降低求解的计算量,把金属基复合材料的应力场与纤维和基体体积分数以及纤维-基体界面特性定量地联系起来.     

单股钢丝绳丝间多层耦合接触性能研究

针对单股钢丝绳在服役过程中因丝间接触引起的失效问题,基于弹性接触理论和曲杆理论,研究轴向扭转载荷作用下单股钢丝绳丝间多层耦合接触性能。首先,综合考虑泊松比效应和接触变形等因素,建立具有多层结构的单股钢丝绳轴向力学性能与丝间接触性能的数学模型。其次,采用基于半解析法(SAM)的数值方案进行耦合求解。半解析法求解过程中,采用共轭梯度法(CGM)和快速傅里叶变换(FFT)求解多层结构单股钢丝绳丝间接触压力、接触变形及钢丝内部应力,揭示单股钢丝绳芯丝与内层螺旋钢丝间、内外层螺旋钢丝间的接触性能参数随扭转载荷变化的演变规律,以及钢丝绳结构参数对单股钢丝绳丝间接触行为的影响机制。最后,通过与COSTELLO理论计算结果对比,验证单股钢丝绳多层接触耦合模型的有效性。研究结果表明:轴向扭转载荷作用下,单股钢丝绳芯丝与内层螺旋钢丝间、内外层螺旋钢丝间的最大接触压力和变形均位于接触中心,且随扭转加载进程而呈非线性变化;在大扭转载荷下,内层螺旋钢丝与外层螺旋钢丝间的接触区易先发生应力屈服;相比于内层螺旋钢丝捻角,外层螺旋钢丝捻角对单股钢丝绳内部各层丝间的接触作用影响更加显著;扭转载荷引起的最大钢丝应力位于接触界面下,该应力区的应力及深度随螺旋钢丝捻角增大而增大。     

纤维混凝土界面应力传递机制的三维弹性分析

采用Love位移函数法分析了纤维拔出问题中粘结段的界面应力传递机制。建模时避免了传统模型不精确的假设,对整个粘结段直接进行三维弹性分析,获得了收敛性较好的解。分析结果表明,纤维和基体的应力及位移均为变量,且在界面上存在法向应力突变现象。将计算结果与传统模型的解进行对比,发现两者在界面剪应力和截面平均拉应力分布上也存在较明显差别。该模型满足所有平衡条件、连续条件和大部分边界条件,可用于检验纤维拔出模型的精度和微观力学分析。     

循环荷载作用下剑麻纤维加筋砂残余变形及刚度变化分析

通过一系列动三轴试验,研究了循环应力水平和围压对纤维加筋砂变形与刚度的影响,分析了不同围压和应力幅值条件下,纤维加筋砂的残余轴向应变、残余体积应变以及动态杨氏模量的动态响应规律.试验结果表明:随着循环应力水平的提高,残余轴向应变的发展呈现出塑性安定、塑性蠕变与塑性破坏3种不同的机制;应力幅值越大,残余轴向应变和残余体积...     

短纤维端部形状对其增强复合材料应力分布的影响

采用ABAQUS软件分析了不同纤维端部形状下碳纤维增强树脂基复合材料的纤维端部应力分布。考虑的纤维端部形状包括平面、半椭球面、楔形面。结果表明:当长径比≥0.75时,半椭球面纤维端部复合材料力学性能优于平面和楔形纤维端部复合材料。进一步研究了界面相厚度、界面相弹性模量对纤维端部轴向应力和剪应力的影响。结果表明:轴向应力σB随界面相弹性模量的增加逐渐减小,界面相弹性模量较小时(E≤4 GPa左右),剪应力τD随着界面相弹性模量的增加而迅速增加,此后τD基本保持不变;当E≥3 GPa左右时,轴向应力σB随界面相厚度的增加逐渐减小。在所研究的界面相厚度(0.1、0.2、0.3μm)范围内,τD基本不随界面相厚度的变化而改变。所以界面相弹性模量应尽可能小于并接近于树脂基体的弹性模量(4 GPa),并适当增加界面相厚度有利于抑制界面脱粘破坏。     

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。     

椰壳纤维土的三轴试验研究

采用室内三轴试验的方法,研究了椰壳纤维土的应力-应变关系及强度特性。探讨了不同加筋情况下椰壳纤维土的加筋效果及变化规律。试验结果表明:在红黏土中掺入椰壳纤维,能够提高土体抵抗变形的能力;椰壳纤维的加筋作用只有当试样的应变足够大时才能发挥出来;且随着轴向应变的增加,椰壳纤维土的加筋作用越来越明显;椰壳纤维土的应力-应变曲线近似呈双曲线,其试样的主要破坏形式表现为鼓胀破坏;在红黏土中加入椰壳纤维后,纤维土的黏聚力c值和内摩擦角φ值均有一定的提高;其中黏聚力c值提高明显,而内摩擦角φ值变化不明显;相同条件下,随着椰壳纤维掺量的增加,椰壳纤维土的加筋效果逐渐提高;相同条件下,围压越低,纤维土的加筋效果越好。     

高延性水泥基复合材料的流变特性和纤维分散性

为了研究高延性水泥基复合材料(HDCC)流变特性对短切聚乙烯醇(PVA)纤维分散性的影响规律,采用流变仪和荧光显微分析技术分别对HDCC浆体的流变特性以及短切PVA纤维在HDCC基体中的分散性进行研究.实验结果表明:HDCC浆体流变行为符合赫切尔-巴尔克模型,浆体流动后,应变梯度随应力增量按幂指数增长;当HDCC浆体塑性黏度为1.3~7.3 Pa·s时,即使短切PVA纤维的体积掺量为1.5%~2.0%,纤维在HDCC基体中的分散系数均大于0.92,实现了均匀分散.合理调整配比中粉煤灰、减水剂和功能性组分的掺量,可调控HDCC浆体塑性黏度并实现短切PVA纤维的均匀分散,为HDCC高延性的理论设计提供实验支持.     

纤维方位角对玻纤复合材料破坏机理的影响研究

利用扫描电子显微镜（SEM）对不同纤维方位角的玻纤增强树脂复合材料（GFRP）在单拉载荷下的破坏过程进行了实时观测．在桥联模型基础上，将纤维剪应力和基体正应力定义为界面的应力状态，对概化的GFRP材料单元进行了定量分析，得到了单拉载荷下纤维体积分数为27．5％的单元起裂时的应力状态，并通过最大应力强度准则确定了导致起裂的应力分量．综合SEM图片中裂纹形态和断口形貌，分析了不同纤维方位角的GFRP材料裂纹萌生和裂纹扩展的机理．分析结果表明，随着纤维方位角增大，导致GFRP材料裂纹萌生的应力分量由基体最大主应力演化为界面剪应力；裂纹扩展路径由最大主应力控制的基体开裂演化为最大剪应力控制的界面开裂．     

具有大倾斜角的纤维桥联分析

将基体作为纤维在垂直和水平方向的弹性支承,考虑基体剥落与纤维拉出的完全耦合,基于基体的支承刚度和破坏条件,利用杆件非线性弯曲模型和有限元法,分析了具有大倾斜角的层间短纤维的桥联力与层间裂纹张开位移的关系·数值算例表明,桥联纤维的弯曲变形是局部的,主要是拉伸,在基体剥落与纤维拉出的影响下,韧性较好的芳纶短纤维桥联张开位移较大,可以在桥联中产生较大的能量耗散和增韧作用     

木素磺酸盐在纸浆纤维表面的层层自组装及其疏水改性功能

利用木素磺酸盐 (LS) 与Cu2+层层自组装的方式对纸浆纤维进行了表面修饰，并研究了表面润湿性的变化。X射线光电子能谱证明了纤维表面S和Cu的含量随着LS与Cu2+ 的交替组装而增加，这说明LS和Cu2+在纤维表面的层层自组装是可行的。原子力显微镜对纤维表面的研究表明，随着层层自组装的进行，纤维表面的微细纤维逐渐被木素致密覆盖；表面木素的增加致使相图的平均相位逐渐增大，说明了表面疏水性的提高。通过测定动态接触角发现，纤维的初始接触角随着自组装层数的增加而增大，且一定时间(0.08s)内接触角的下降速率在减小。当组装5层木素后，纤维表面的初始接触角由0°提高至104.8°，0.08s 后下降至78.9°，表面由高度亲水性变为具有一定疏水性。通过控制SL自组装的层数可以有效且可控地实现纸浆纤维的疏水改性。     

原位转化Cf/Al2 O3陶瓷基复合材料的冲蚀磨损

采用真空热压烧结技术制备原位转化Cf/Al2 O3复合材料,并在改装后的MSH型腐蚀磨损试验机上研究复合材料在不同冲蚀角度和速度下的浆体冲蚀磨损性能。通过对试样冲蚀表面的形貌观察和分析,探讨复合材料的冲蚀磨损机理以及纤维增韧对磨损过程的影响。试验结果表明：在大角度和较高速度的冲蚀条件下Cf/Al2 O3表现出较好的耐磨损性能,其磨损机理主要为脆性材料受到反复冲击,表面产生脆性剥落。增韧纤维对冲蚀磨损性能的影响主要体现在材料产生裂纹后对基体的桥连作用和对冲击功的吸收,抑制裂纹扩展,减少材料损失。     

倾斜短纤维拉出的简化分析

为了研究具有任意倾斜角度的短纤维从脆性基体中拉出的过程和能耗,提出了一种简化分析方法.忽略拉出之前的界面脱粘过程及纤维拉出段的局部弯曲,考虑纤维拉出与基体剥落耦合,建立了拉出过程的非线性控制方程.用迭代法求解,得到拉出过程中短纤维桥联力与张开位移的关系,拉出能量以及界面摩擦应力,纤维倾斜角、长度等参数的影响.模拟计算结果表明:基体剥落可以提高拉出力,改变拉出力与位移的关系;适当选择界面摩擦和纤维长度可以显著增加拉出能耗.     

碳纤维表面处理及其复合材料界面优化的研究Ⅱ．低温等离子处理对碳纤维表面浸润特性的影响

采用毛吸浸润法，研究了氧等离子及氩等离子处理对聚丙烯腈基碳纤维表面浸润特性的影响。发现了等离子处理可以使碳纤维表面对水的浸润性能大为改善，氧等离子处理效果更为明显。对在碳纤维表面预涂不饱和酸酐，经等离子处理可产生接枝的现象进行了验证，并发现接枝马来酸酐后浸润性能反而比原纤维有所下降。经等离子处理的纤维随其接触空气时间的延续，表面浸润性能不断退化，纤维对水的接触角呈曲折形式逐步增加。     

氨基硅油改性苎麻纤维的研究

在一定温度条件下,用氨基硅油对苎麻纤维进行表面改性处理.利用红外光谱分析(IR)、接触角测试、X射线衍射分析(XRD)、热重分析(TG)等方法对改性前后苎麻纤维的性能进行分析.结果表明,经氨基硅油改性的苎麻纤维表面成功包覆了有机硅分子,且表面羟基数量减少,吸水性较未改性的苎麻纤维下降,与聚丙烯相容性提高;改性后,苎麻纤维的结晶度提高了15%;在230℃以前,未改性的苎麻纤维质量损耗为5%,而改性后苎麻纤维基本上没有分解,改性后苎麻纤维的耐热性能有了较大的提高。     

改进Turner法制备光纤探针的研究

研究了化学腐蚀方法制备近场光学显微镜光纤探针时外界因素和腐蚀溶液与保护液体系本身性质对光纤探针形貌的影响。结果表明腐蚀溶液和保护液二元体系的界面在光纤上形成的弯月面的高度与界面和探针之间形成的接触角、界面张力、密度差有关,在一定范围内弯月面的高度与光纤直径成正比。通过理论分析和实验结果相结合,对比管式腐蚀方法制备的光纤探针的形貌,我们发现Turner法制备光纤探针时探针锥面蜂窝状粗糙形貌是光纤探针成尖过程的本质上缺陷造成的。通过改进Turner法制备光纤探针的工艺,结果表明采用第二次修饰性腐蚀可以有效地改进探针的粗糙锥面,并增大探针的圆锥角。     

短纤维玻璃陶瓷基复合材料的静疲劳行为

研究了不同介质中单向短纤维增强玻璃陶瓷是复合静疲劳行为,结果表明,复合材料的疲劳指数和疲劳极限均高于陶瓷基体,Nicalon纤维增强复合材料在水介质中的静疲劳性能要优于碳纤维增强复合材料,认为应力腐蚀导致的纤维／基体间的界面弱化是影响得合材料静疲劳劳行为的重的要因素,界面弱化有利于提高强界面结合复合材料的静疲劳强度。     

NiTi合金纤维表面处理对树脂基复合材料界面剪切性能的影响

采用表面涂层和低温冷等离子体技术等多种方法对NiTi合金纤维表面进行预处理,改善纤维表面的浸润性,达到纤维与树脂界面很好的粘结,对样品进行界面剪切强度的测定,并用电镜观察纤维表面形貌的变化。实验结果表明:NiTi合金纤维经不同方法处理后,纤维的浸润性和界面的粘结强度有不同程度的改变,而经过列克纳涂层处理的样品剪切强度有很大的提高,通过电镜的扫描图片可以看到纤维的表面粘有大量的树脂,达到了很好的粘合。