纳米碳管增强陶瓷基复合材料热残余应力分析

针对纳米碳管与陶瓷材料热膨胀系数的差异导致的热失配问题,采用复合材料细观力学方法,利用有限元分析软件ANSYS建立了不同长径比的纳米碳管增强陶瓷基复合材料模型,模拟降温冷却过程中纳米碳管的性质对纳米碳管增强陶瓷基复合材料热残余应力变化特征的影响;利用轴对称体弹性力学理论导出纳米碳管贯穿陶瓷基体时纳米碳管增强复合材料的热残余应力解析式,所得结果与数值模拟结果一致,证明数值模拟方法的可靠性.研究表明:纳米碳管的弹性模量、热膨胀系数、体积分数、长径比和温度差等因素的变化对复合材料热残余应力有不同程度的影响.     

纳微米双相颗粒增强陶瓷基复合材料力学性能的数值模拟

以包晶型(纳米颗粒包围微米颗粒)和内晶型(纳米颗粒嵌于微米颗粒中)2种分布状态的特征体积单元为研究对象,利用整体-局部均质化方法从数值分析的角度计算了复相陶瓷材料中纳米颗粒与微米颗粒的排列方式、体积比、粒径比、界面特征等纳微观结构特性对纳微米颗粒增强陶瓷基复合材料有效弹性模量的影响。结果表明纳微米颗粒呈包晶型分布状态时,随体积百分比的增加,有效模量增大较为显著;与矩形特征体积单元相比,六边形情况估算有效弹性模量偏高;纳微米颗粒粒径比越小,颗粒分布越均匀,有效弹性模量越大;微观颗粒与基体间的界面损伤比纳观颗粒与基体的界面损伤更易于导致材料的有效刚度降低。从晶粒细化特征及显微结构等因素解释合理的纳微观复相颗粒分布对陶瓷基复合材料的有效弹性模量的改善效应。     

横载下纳米增强陶瓷基复合材料界面损伤分析

以规则排列的单向纳米纤维增强陶瓷基复合材料特征体积单元为研究对象,利用ANSYS建立含界面损伤内聚力模型.运用非线性损伤力学理论分析横载作用下复合材料的界面损伤演化规律和应力-位移分布特点,分别讨论最大法向接触拉伸应力和裂纹最大张开位移对界面损伤过程的影响.结果表明:ANSYS软件中的CZM接触单元能够很好地模拟界面损伤演化,横载作用下界面对应力分布状态的影响不容忽视,且界面损伤主要由接触面的法向拉伸应力和裂纹最大张开位移控制.     

碳纤维表面纳米槽对其与树脂基体结合性能影响的数值分析

在三维C/C编织复合材料代表体积单元RVE中提取纤维单丝及其周围树脂基界面作为研究对象,称之为碳纤维单丝及界面(CFI)模型。将碳纤维提取处的RVE温度场计算结果继承到CFI模型局部坐标之下,利用有限元方法进行顺序热力耦合计算。在局部柱坐标下得出CFI模型中纳米槽位置高温下的应力分布状态,评估咬合力,分析纳米槽对结合性能的影响性。为编织复合材料制造工艺提供了重要的理论支持和数据参考。     

金属颗粒分散压电陶瓷复合材料的压电性能

金属颗粒分散压电陶瓷复合材料是一种新型的3-0型压电复合材料,其有效压电性能受金属相体积分数的影响.利用基于格林函数的有效介质理论,结合由于金属相的弥散导致压电陶瓷内电畴的取向分布变化,对金属相体积分数对复合材料有效压电性能的影响进行理论计算.结果表明,复合材料的有效压电性能随金属相体积分数的增加呈下降趋势,理论计算和文献报道的实测结果基本吻合,表明该方法能够预测压电陶瓷/金属复合材料体系显微结构与压电性能之间的关系.     

颗粒增强复合材料机械性能细观分析模型研究

假设立方体颗粒均匀分布于树脂基体材料中，借助于单元串联、并联和Halpin-Tsai模型算法导出了复合材料杨氏模量的计算公式。利用三维有限元数值方法对立方体和球体颗粒增强复合材料代表性体积元进行了数值模拟，得到了应力分量σ33及von MiseS应力的分布规律，阐述了应力分布和材料破坏之间的联系。研究结果发现，颗粒的几何形状对复合材料杨氏模量的影响甚微，由分析预测模型、有限元数值模拟和实验测量所得到的结果符合良好。     

两个单位胞体模型数值模拟结果比较

利用三维有限元方法，通过建立立方体、六棱柱单位胞体数值分析模型，对颗粒增强复合材料做模拟计算，在单向外载荷作用下，讨论两模型中正应力、von Mises应力的分布规律。结果显示两模型的应力场分布相近或相似，将在相同的区域里发生材料剪切屈服和界面脱胶破坏。计算了复合材料弹性系数，经过同整体体积平均分析方法和实验测量结果的比较，结果显示六棱柱模型较立方体模型更加符合真实情况。     

细观参数对纤维增强金属基复合材料宏细观力学性能的影响

B纤维、SiC纤维增强Al基及Mg基复合材料的微观参数对宏观性能具有重要影响.基于细观力学理论,利用代表性体积元(RVE)建立极坐标复合材料宏细观弹塑性本构模型,采用有限元法研究了Al基和Mg基复合材料的基体材料、纤维种类、纤维体积分数对复合材料整体力学性能的影响.研究结果表明:基体材料遵循自身弹塑性变化规律并引起复合材料整体的弹塑性变形,纤维保持其线弹性性能,在拉伸过程起主要承载作用;基体材料及纤维体积分数对复合材料力学性能的影响效应更强;利用宏细观本构模型计算获得的复合材料应力值与试验值接近,误差不超过2.5%.     

颗粒增强复合材料热性能的数值模拟研究

利用C语言编写了能生成随机分布的颗粒增强复合材料几何模型的程序,结合MSC商用有限元软件分析了颗粒的体积分数、大小以及分布形态对颗粒增强复合材料热学性能的影响。结果表明:颗粒的分布形态对材料的热膨胀变形及热传导无明显影响,但对热应力有很大影响;颗粒的大小对材料的热膨胀有一定影响;颗粒体积分数的影响和利用混合律的预测结果基本一致。     

纳米颗粒对复合材料横向拉伸强度影响的数值模拟

纤维增强复合材料中添加纳米颗粒能够改性基质,提高材料的横向拉伸强度.建立了复合材料周期性单胞的三维有限元模型,考虑了纤维与基质间的粘结特性,模拟了材料在固化完成后冷却到室温的全过程.基质中未添加纳米颗粒和添加纳米颗粒两种模型的计算结果表明,纳米颗粒减小了纤维与基质间的剪应力,降低了纤维与基质热膨胀系数不匹配引起的残余应力,从而导致复合材料横向拉伸强度提高.     

周期性边界条件下炭黑增强橡胶基复合材料有效弹性性能数值模拟

基于周期性边界条件建立具有随机分布形态的代表性体积单元,通过细观力学有限元方法对炭黑颗粒填充橡胶复合材料的宏观力学行为进行模拟仿真.重点分析圆形和方形炭黑填料粒子模型的变形场和应力场,以及炭黑填料的体积分数对复合材料有效弹性模量的影响规律.结果显示:炭黑颗粒的填充显著提升橡胶材料的弹性模量,而且炭黑填充橡胶材料的有效弹性模量随着炭黑含量的增加而增大;在相同的炭黑含量条件下,方形粒子模型对橡胶材料有效弹性模量的预测结果明显高于圆形粒子模型.     

碳纳米管复合材料的有效热导率

考虑到碳纳米管的空间取向分布特征,建立了碳纳米管复合材料的有效热导率模型。根据Maxwell理论,推导出了计算碳纳米管复合材料有效热导率的简单公式。应用实例表明,该模型能够很好地解释在碳纳米管纳米流体中观察到的热导率异常增加现象,还可以用来分析纳米管复合材料的渗流性质,而且理论计算结果与实验结果吻合较好。     

铜/石墨复合材料热变形行为研究

通过Gleeble-3500热模拟试验机对铜/石墨复合材料进行热压缩试验，研究变形温度为700～850 ℃、应变速率为0.001～1.000 s^-1时该复合材料的热变行为。通过光学显微镜研究复合材料显微组织的演变，根据实验数据构建该复合材料的本构方程和热加工图。使用Zener-Hollomon参数模型对该复合材料的流变应力进行研究。研究发现，铜/石墨复合材料的流变应力随着应变温度的升高而降低，随应变速度的增大而增大。计算得出该复合材料的热变形激活能为463.02 kJ/mol，表明材料具有良好的成形能力。通过构建的本构方程验证了最大应力的吻合性，发现计算值和试验值的误差在9.5%以内，说明该方程对复合材料的流变行为具有指导作用。热加工图表明了该复合材料的适宜加工温度为780～820 ℃，变形速率为0.050～0.100 s^-1；变形温度为830～850 ℃时，变形速率约为0.001 s^-1。     

基于分形理论的石墨泡沫新材料导热系数

新型导热材料石墨泡沫具有很好的热物理性质.文中应用分形理论讨论了这种新型多孔材料的分形特性,并在此基础上建立了石墨泡沫材料的导热模型.采用热阻法给出了石墨泡沫材料的等效导热系数的关系式.在空腔边长为200～500μm,对应的体孔隙率为82%～73%条件下,计算了石墨泡沫的体积分形雏数和等效导热系数.这种新的研究方法对多孔材料热物性研究有一定指导意义.     

热塑性复合材料等效导热系数测定方法

为了提高热塑性复合材料的导热性,为热塑性复合材料的开发与应用提供依据,研究了一种热塑性复合材料等效导热系数测定方法。将聚酰亚胺模塑粉、胶体石墨和炭纤维作为原料,制备热塑性复合材料,搭建复杂环境下导热系数测试实验平台,通过稳态法对理论上单一材料的导热系数进行计算。把填料转换成体积含量,研究热塑性复合材料导热性能,发现填充石墨和炭纤维的热塑性复合材料导热性能有很大的不同,需研究一种通用的热塑性复合材料等效导热系数测定方法。生成等效结构,在此基础上,依据常物性、无内热源与稳态热传导对热塑性复合材料等效导热系数进行测定,利用从底向上的计算方式求出等效导热系数。通过实验测试平台测量炭纤维填充热塑性复合材料和石墨填充热塑性复合材料,结果表明,所提测定结果基本分布于实测数据周围。通过人为添加满足正态分布的实验误差当成实验测量值对等效导热系数进行测定,所提方法可在测量误差情况下给出准确的热塑性复合材料等效系数测定结果。可见所提方法测定结果准确。     

大变形条件下纤维增强复合材料的有效性能

纤维增强树脂基复合材料具有优异的力学性能,其应用领域十分广阔．在其中的许多应用中,复合材料会发生大变形．本文建立了大变形条件下纤维增强树脂基复合材料的细观力学模型和均匀化方法,计算了复合材料在不同应变情况下的有效切线模量,研究了纤维性能、体分比和组成方式对复合材料有效性能的影响．研究表明,在大变形条件下,复合材料的有效切线性能随着纤维性能和体分比的提高而显著提高,而纤维束增强复合材料的有效切线性能要优于单丝纤维增强复合材料的有效切线性能．     

纳米SiC颗粒对Al2O3—ZrO2复合材料断裂模式的影响

本文观察了Al2O3-ZrO2和纳米SiC复合Al2O3-ZrO2陶瓷材料的断口形貌。在Al2O3-ZrO2样品中表现为典型的沿晶断裂。复合纲米SiC颗粒后,出现相当一部分的穿晶断裂形貌。并且讨论论了残余热应力对断裂模式的影响。     

功能梯度材料的基体与颗粒界面热应力研究

研究金属－陶瓷功能梯主材料的基体与颗粒的界面热应力。方法给出功能制备的有限元计算优化设计方案,针对所制备的梯度材料的结构特点,采用双层嵌套模型研究基体与颗粒的界面热应力与两相材料体积分数的变化关系。     

组元热失配对复合材料界面强度的影响

用粉浆浸渗－层叠热压工艺制得了９种不同组元热失配的复合材料．用金刚锥显微脱粘法测得复合材料的界面强度．研究了组元间不同热失配对界面强度的影响．结果表明：径向热先配愈大，复合材料的界面强度愈高，两者之间存在着近似的指数关系；轴向热失配对界面强度影响则较小．用热残余应力对界面强度影响的计算结果验证了上述结果，两者较好地吻合．