高性能纤维束横向压缩变形机理

基于同步辐射X射线显微断层成像技术,采集纤维束内部图像,经过计算机后续处理得到纤维束截面二维图像,分析了纤维束横向压缩变形机理,研究5种不同压缩应力下纤维束体积分数、分布状态、接触点数目的变化情况.研究结果表明:纤维体积分数与压头-压槽耦合后的面积几乎呈线性关系;纤维分布随应力增加趋于均匀;通过对纤维束内部接触点数目的统计,得出了纤维体积分数-接触点数目的拟合公式.     

金属基复合材料纤维断裂脱落后的应力分析

通过对长纤维增强的金属基复合材料纤维脱落后复合材料应力场的分析得到了应力分布的精确解,讨论了循环热/机械载荷对复合材料应力场的影响,并针对Al基Be纤维增强的复合材料中外载荷对纤维与基体间的脱落长度的影响做了定性分析,认为当外载荷与材料参数不发生变化时,纤维与基体将不会产生继续脱落,进而破坏形式将会发生变化,在整个分析过程中纤维作为弹性体,纤维与基体界面的塑性变形采用了理想弹塑性模型.得到结论为以后继续研究金属基复合材料的疲劳特性奠定了基础.     

基于Biot理论的腰椎间盘力学响应分析

为考虑腰椎间盘流固耦合作用,基于Biot理论建立了正常人体腰椎间盘L3~L4节段的有限元模型,分析了椎间盘在不同轴向压缩载荷及复合载荷作用下的力学响应,得到了椎间盘不同部分的压力、应力分布规律和比较曲线。结果表明:轴向正压时,外层纤维环压力约为内层的15%,外层最大应力约为髓核应力的4.3倍;椎间盘各部分所受压力随载荷增大近似线性增加,且增加的速率基本相同;应力随载荷增加而增大的速率不同,外层纤维环应力增加最为明显。轴向压缩与扭转载荷组合作用时,纤维环整体应力水平最大,最容易被破坏。     

计及基体刚度的单向复合材料应力集中分析

提出了一种计及基体拉伸刚度效应的修正剪滞模型，用于研究单向纤维增强复合材料中由于纤维或基体破坏所引起的应力重分布问题。文中定量讨论了纤维／基体拉伸刚度比及纤维体积分数对断口邻近的纤维和基体的应力集中的影响。证实了当基体拉伸模量较低（如树脂基复合材料）及纤维体积分数较大时，可以忽略基体刚度对应力集中的影响；而对于其它情形（如陶瓷、金属基复合材料），就不可忽略基体刚度的影响。     

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%.     

短碳纤维增强橡胶基密封复合材料的热残余应力数值分析

以碳纤维/丁腈橡胶基密封复合材料为对象,采用ABAQUS有限元分析软件,建立含有界面相的三维有限元模型,研究了橡胶基复合材料热残余应力的分布规律.探讨了制备温度、界面相厚度、界面相模量描述方法、纤维体积分数、纤维直径对热残余应力的影响.结果表明:制备温度的变化对纤维和界面相的热残余应力影响较大;界面相厚度对纤维的残余应力的影响比其对自身的影响大;梯度界面有利于降低复合材料的热残余应力;适当提高纤维体积分数和增加纤维直径都有助于改善复合材料热残余应力的分布.     

硅酸铝短纤维/铝合金复合材料的断口分析

利用SEM观察了硅酸铝短纤维/铝合金复合材料的拉伸断口,发现陶瓷增强相主要有三种破坏形式;当纤维沿拉伸方向的有效长径比超过临界值时纤维以断裂破坏为主;(近似)垂直于拉伸载荷的纤维因承受横向拉伸导致界面或纤维开裂而发生脱附;机械损伤及不均匀热收缩在陶瓷颗粒内产生的应力导致大颗粒发生开裂.纤维断裂能有效提高复合材料的强度;纤维脱附及颗粒开裂对材料的强度没有贡献.     

三维编织物增强复合材料横向冲击频域响应特征

采用改进型分离式霍普金森杆测试三维编织物增强复合材料在横向(试样厚度方向)冲击加载模式下动态力学响应特征.试验结果表明,最大载荷随冲击速度增加而增加,从试样破坏显微照片中可以得出,随着冲击速度增加,三维编织物增强复合材料失效模式由树脂开裂变为纤维束断裂.采用快速傅里叶变换方法将三维编织物增强复合材料横向冲击时间-载荷曲线转换为频域内频率-振幅曲线,从曲线中可以得出横向冲击应力波频率主要集中于低频区域,且应力波振幅随冲击速度增加而增加.     

硼纤维增强钛基复合材料中的纤维断裂影响区域

研究了硼纤维增强钛基复合材料中纤维断裂后的影响区域,在裂纹扩展统计理论的基础上,经过理论分析和实验得到了１种合理的简化模型。结果表明,复合材料中１根纤维断裂后引起的应力再分布和应力集中明显影响其邻近的未断裂纤维。伴随着贯穿纤维的原始裂纹逐步扩展,其影响区域（即纤维的影响长度区域）亦逐步扩大,当增强纤维的体积分数较小时,金属基体的加工硬化也影响纤维和复合材料的破坏过程。     

土壤准静态压缩力学性能实验研究

为研究土壤准静态的压缩力学性能,利用电子万能试验机对土壤进行了准静态压缩实验,分析了其密度、质地、水的体积分数等参数对静态抗压强度的影响. 结果表明:土壤的密度、质地和水的体积分数等因素均会对其静态力学性能造成影响,影响着静载情况下的应力-应变关系. 在应变一定的情况下,一般应力随着土壤密度的增大而增大,对于黏性土壤其水的体积分数对内部应力影响很大,但对于砂土则影响不明显.      

纤维体积分数对炭/炭复合材料力学性能的影响

以40%,30%和25%3种不同纤维体积分数的针刺整体毡为坯体,经3次化学气相浸渗后制备C/C复合材料;测定其未经热处理与经不同温度热处理后的石墨化度,抗弯、抗剪、垂直与平行抗压强度;在偏光下观察其微观结构;采用扫描电子显微镜对其断口形貌进行观察;研究纤维体积分数与C/C复合材料的力学性能的关系及不同热处理条件下C/C复合材料的断裂机理.研究结果表明:在不同热处理状态下,当纤维体积分数为30%时炭/炭复合材料的抗弯、抗压和抗剪强度均最高;经热处理后的试样,其力学性能降低,断裂方式由脆性断裂转变为韧性断裂;热处理温度越高,其力学性能降低的程度越大.     

钨丝/铜复合材料的力学性能

采用石英管渗流水淬法制备了钨丝/铜复合材料,研究了其力学性能.结果表明,体积分数为60%的钨丝/铜复合材料具有1 185 MPa的拉伸强度和1 340 MPa的压缩强度,压缩时的塑性应变达到6.4%,复合材料存在一定的拉压不对称性.     

钨丝/锆基非晶合金复合材料的动态力学特性

研究不同体积分数的W丝／Zr基非晶合金复合材料的应力—应变响应和动态断裂特征以及断口形貌．利用Hopkinson压杆冲击加载装置和扫描电子显微镜(SEM)以及X射线衍射(XRD)，对圆柱形复合材料试样进行了相关研究．研究结果表明：Zr基非晶合金复合材料具有很高的动态压缩强度，随着W丝体积分数的增加，材料的动态压缩强度也增加，当W丝体积分数达到60％时，复合材料动态压缩强度达到2650MPa；断裂表面呈现剪切与W丝劈裂、屈曲混合破坏模式；Zr基非晶体在动态压缩条件下出现了显著的热软化和熔化特征．     

Mechanical properties and friction behaviors of CNT/AlSi10Mg composites produced by spark plasma sintering

The mechanical properties and friction behaviors of CNT/AlSi10Mg composites produced by spark plasma sintering (SPS) were investigated.The results showed that the densities of the sintered composites gradually increased with increasing sintering temperature and that the highest microhardness and compressive strength were achieved in the specimen sintered at 450℃.CNTs dispersed uniformly in the AlSi10Mg matrix when the addition of CNTs was less than 1.5wt％.However,when the addition of CNTs exceeded 1.5wt％,the aggregation of CNTs was clearly observed.Moreover,the mechanical properties (including the densities,compressive strength,and microhardness) of the composites changed with CNT content and reached a maximum value when the CNT content was 1.5wt％.Meanwhile,the minimum average friction coefficient and wear rate of the CNT/AlSi10Mg composites were obtained with 1.0wt％ CNTs.     

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．     

Mechanical properties and friction behaviors of CNT/AlSi<Subscript>10</Subscript>Mg composites produced by spark plasma sintering

The mechanical properties and friction behaviors of CNT/AlSi₁₀Mg composites produced by spark plasma sintering (SPS) were investigated. The results showed that the densities of the sintered composites gradually increased with increasing sintering temperature and that the highest microhardness and compressive strength were achieved in the specimen sintered at 450℃. CNTs dispersed uniformly in the AlSi₁₀Mg matrix when the addition of CNTs was less than 1.5wt%. However, when the addition of CNTs exceeded 1.5wt%, the aggregation of CNTs was clearly observed. Moreover, the mechanical properties (including the densities, compressive strength, and microhardness) of the composites changed with CNT content and reached a maximum value when the CNT content was 1.5wt%. Meanwhile, the minimum average friction coefficient and wear rate of the CNT/AlSi₁₀Mg composites were obtained with 1.0wt% CNTs.     

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.     

碳纤维-水泥基复合材料冻融抗压强度的研究

以普通硅酸盐水泥为基体材料，以碳纤维为功能组分，采用压力成型法制备了碳纤维一水泥基导电复合材料。-20℃和70℃冻融循环25次，研究了碳纤维掺量、成型压力及养护方法对冻融性能的影响。结果表明：碳纤维质量分数掺量为0．2％时有较好的抗冻融能力，10MPa压力成型冻融前强度较高，冻融后期强度下降幅度较大，蒸养条件下，材料抵抗冻融破坏的能力强于水中养护。     

纤维增强陶瓷中界面层和热应力对基体开裂的影响

基于可以考虑界面层效应和界面剪应力作用的三层组合圆筒模型,对纤维增强陶瓷材料分别得到沿纤维方向承受拉伸载荷和热降落引起的应力表达式,包括界面出现剪切滑移和裂纹在基体中扩展后的应力再分配及应力集中。在此基础上建立了可以考虑界面层和热应力影响的基体开裂临界应力求解方程。在不考虑界面层和热应力的条件下其可退化为著名的ＡＣＫ解。最后以材料ＳｉＣｆ／ＳｉＣｍ为例,计算并讨论了界面层和热应力对该临界载荷的影响,得到的理论预估值与实测值有较好的一致。