短纤维-TPU复合材料力学性能理论与实验研究(Ⅰ)拉伸强度理论与实验

综合考虑了短纤维ＴＰＵ 复合材料纤维与基质特性、纤维基质界面结合强度、纤维长度与长径比以及纤维取向分布等对复合材料力学性能的影响, 提出了短纤维ＴＰＵ 复合材料拉伸强度理论预测方程, 并进行了短纤维ＴＰＵ 复合材料的实验研究, 理论预测结果与实验结果吻合较好。     

短纤维—TPU复合材料力学性能理论与实验研究

综合考虑了短纤维－ＴＰＵ复合材料纤维与基质特性、纤维－基质界面结合强度、纤维长度与长径比以及纤维取向分布等对复合材料力学性能的影响,提出了短纤维－ＴＰＵ复合材料拉伸强度理论预测方程,并进行了短纤维－ＴＰＵ复合材料的实验研究,理论预测结果与结果吻合较好     

SF-TPU复合材料线热膨胀性能研究

对SF-TPU(短纤维－热塑性聚氨酯 )复合材料线热膨胀性能进行了理论与实验研究,考虑了短纤维取向分布的影响,建立了SF-TPU复合材料线热膨胀系数理论预测方程,理论预测与实验结果吻合较好。实验还表明,纤维取向因子f_p与SF-TPU复合材料线热膨胀系数有很好的对应关系。     

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。     

基于均匀化理论的复合材料热膨胀系数预测方法

建立了基于均匀化理论的复合材料热膨胀系数预测方法。给出了预测热膨胀系数的细观均匀化问题的形式及其有限元求解过程。利用该方法预测了空心材料和单向纤维复合材料的热膨胀系数。所得结果与理论分析结果和实验值吻合较好，说明该方法是可靠的。     

增强胶管中短纤维取向分布影响的研究

本文从理论上研究了剪切与拉伸速率和流道厚度方向上的比率与扩芯式机头扩机角和流道厚度的关系，并从几个方面作了实验工作，理论分析与实验的验证，均证明了随着机头扩张角的增大，胶管中短纤维周向取向的比例增大，而机头流道厚度的增加也有利于周向取向的较快形成，通过上述工作，为从机头口型几何参数来控制增强胶管中的短纤维取向分布建立了基础。     

短碳纤维／丁腈橡胶复合材料拉伸模量的研究

研究了丁腈橡胶被短碳纤维增强后拉伸模量的变化．通过实验，发现在采用Ｈａｌｐｉｎ－Ｔｓａｉ方程对短纤维／橡胶复合材料的拉伸模量进行预测时，纤维增强作用的度量系数取值的局限性，并对值进行了修正．修正后预测值与实验结果有较好的一致性．     

高浓度纤维悬浮体系中纤维取向的模拟及测定

本文研究了高浓度纤维悬浮体系中纤维的取向状态，采用Ｄｏｉ－Ｄｏｒａｉｓｗａｍｙ流变模型，运用纤维跟踪技术计算取向张量，由取向椭圆表征纤维的取向状态．提出了用于测定短玻璃纤维增强聚丙烯复合材料中纤维取向的快速、简便的方法，并用该法测定了挤出成型的复合材料中纤维的取向分布．预测结果与实验数据基本相符．     

纤维悬浮混合层中纤维取向与流场应力的研究

研究了纤维在混合层流场中的运动,流场用伪谱方法求解;纤维对流场的作用体现在流体方程的附加应力张量中.数值求解在流场作用下的纤维的运动方程,得到纤维的位置和取向分布.进行了纤维取向分布的实验研究,结果与计算定性符合.研究结果表明,当St数较小时,大部分纤维聚集在涡核内,并且基本呈水平或垂直分布;而大St数下,纤维聚集在涡核边缘,呈现不均匀分布,此时纤维取向受涡核边缘的流场支配,呈现包络涡核的特征.同时,由纤维导致的流场附加应力张量的最大值和最小值出现在涡核边缘,导致流场应力不均匀.     

不锈钢/ZA43复合材料界面结构的研究

对常压浸渗法制备的不锈钢纤维增强的ZA43复合材料的界面结构进行了研究,结果表明,纤维与基体之间存在明显的界面层,此界面层由界面反应层和扩散偏聚层等多层构成,界面的形成过程主要是铁_铝金属间化合物的形成过程.同时,由于铝元素向纤维表面的偏聚和对纤维的腐蚀,导致了其它合金元素在界面处成分的不平衡分布.     

界面层对纤维增强复合材料应力场的影响

本文对带界面层单向纤维增强金属基材料的热机械荷联合作用下的应力场进行了分析计算,并获得了其应力分布情况。     

单向短纤维增强复合材料纵向弹性模量预测

建立含单纤维和基体的双圆柱复合材料细观力学模型,采用基体剪应力的Lame形式推导得到纤维轴向应力计算方程和纤维长度影响因子λ的表达式。依据纤维长度影响因子和混合定律得到了单向短纤维增强复合材料纵向弹性模量的计算公式,探讨纤维长径比和体积分数等细观结构参数对材料纵向弹性模量的影响。将计算公式得到的材料纵向弹性模量与Halpin-Tsai和Darlnigton方程得到的结果与实验值进行了对比。结果表明,计算公式预测值更接近于实验值。     

链状纤维增强热塑性聚合物复合材料的界面特性研究

设计制备了一种呈链条链节规则分布的“链状”异形聚酰胺纤维,以聚丙烯为基体,通过单丝拔出实验来研究链状异形纤维的形态对纤维与基体界面性能的影响。与普通的平直纤维相比,埋入不同长度链状纤维的试样的单丝拔出过程出现了一些有趣的现象,其应力-位移曲线上出现了多个峰,而且峰的数目与所埋入纤维的链节数目相对应。通过对单丝拔出实验和拔出功的比较,初步证明了链状纤维可以同时提高弱界面结合的纤维增强树脂基复合材料的强度和韧性。     

粘弹性纤维在均匀变形流场中的悬浮动力学

本文以三珠二杆粘弹性铰接的珠链作为纤维的模型,用将珠链运动分解为准刚体运动和纯变形运动的方法,对粘弹性珠链纤维在均匀变形流场中的悬浮运动进行了研究。得到了纤维速度,加速度分布公式,纤维平均取向的角速度南纤维纯变形运动方程。并发现,在纤维质心运动方程中,集中在纤维质心上的各圆珠的斯托克斯阻力之矢量和就等于流体作用于纤维质心的斯托克斯阻力;在纤维相对于质心的动量矩方程中,力矩是准刚珠链纤维中各圆珠上相对于纤维质心的斯托克斯阻力矩之矢量和。特别是在不计纤维惯性、重力和浮力的条件下,当纤维刚直并作平面运动时,其角速度与同样条件下无限长径比椭球角速度的 Jeffery 公式完全一致。     

形状记忆合金纤维复合材料纤维方向弹性模量的实验研究

为了验证形状记忆合金纤维复合材料纤维方向的弹性模量与细观力学理论计算结果的接近程度,进行了拉伸性能的测试.采用线性回归方法,给出了弹性模量的实验结果.试验结果表明形状记忆合金纤维复合材料纤维方向的弹性模量与细观力学理论的计算结果比较一致.     

纤维取向与打团效应对玄武岩纤维增强复合材料拉伸性能的影响

 基于Tsai理论,针对纤维体积掺加率为0.6%、0.9%、1.2%、1.5%,纤维取向角为0°、15°、30°、45°的玄武岩纤维-环氧树脂复合材料（BFRP）进行了轴向拉伸强度实验研究,并引入纤维均分系数和打团纤维含量表征玄武岩纤维在环氧树脂中的打团效应,建立打团纤维的细观力学模型与几何模型,对BFRP的拉伸强度进行了数值计算对比分析。结果表明,纤维体积掺加率一定时,BFRP的拉伸强度随纤维取向角的增大而减小,纤维取向角一定时,BFRP的拉伸强度随纤维体积掺加率的增大而增大;纤维均分系数随纤维体积掺加率的增大而减小,打团纤维含量随纤维体积掺加率的增大而增大;纤维打团效应的存在,导致了BFRP的纤维临界体积掺加率较纤维均分时有所增大,降低了玄武岩纤维对环氧树脂基材拉伸强度的增强幅度;考虑纤维打团效应的BFRP拉伸强度计算值与实验结果接近。     

环氧复合材料基体与凸端有机短纤维间的界面特性研究

采用单丝拔出试验和动态力学分析研究了环氧树脂基复合材料中基体与凸端的有机短纤维之间的界面特性。两种试验方法均表明：凸端的有机短纤维由于端部变大,可以提高纤维与基体之间的界面粘结强度,也有利于纤维末端界面剪切应力的传递。     

横向压缩载荷下短纤维复合材料细观力学分析

建立含纤维、界面相和基体的短纤维增强弹性体复合材料在横向压缩载荷作用下的单纤维细观力学模型,得到了单元体内部的应力分布函数。以2种不同纤维增强弹性体复合材料为对象,研究横向压缩载荷作用下单纤维模型内部的应力分布状况。结果表明:单元体内部应力分布是不均匀的,其大小与复合材料不均匀程度及纤维体积分数有关。应力分布的不均匀性随材料的不均匀程度的增大而增大;随着纤维体积分数的增加,压应力最大值逐渐增大,而拉应力最大值先增大后减小。     

层状取向铁纤维波特性

对多层具有各向异性电磁参数取向纤维析建立了传输矩阵方程。依据电磁场理论推导出了求解不同入射极化波时反射系数公式。该式可用于研究宽频带内任意层数和任意取向层状析的反射与吸波特性。对１６层取向铁纤维析的反射系数进行了计算，结果表明反射波呈椭化态，讨论了入射波的极化角及纤维取向对反射系数的影响。