三维编织碳/碳复合材料高温力学及疲劳试验研究

在大气环境下,对有抗氧化涂层的非切边和切边三维(3D)四向碳/碳复合材料在室温、800和900℃下进行编织纵向拉伸试验,得到了相应工况下的弹性模量、拉伸强度以及应力-应变曲线;在800℃下对两种试件进行编织纵向拉/拉疲劳试验,得到了疲劳寿命数据以及剩余刚度随循环载荷的变化规律。采用扫描电子显微镜(SEM)对破坏后的试件断口进行观察研究,分析材料拉伸破坏机制以及疲劳破坏机制。结果表明:三维四向碳/碳复合材料的拉伸强度和弹性模量随着温度的升高而增大,非切边试件的力学性能优于切边试件;三维四向碳/碳复合材料剩余刚度随循环载荷先增加而后减小;材料的拉伸破坏形式以纤维拉伸为主,温度升高后,断口出现纤维束成簇拔出现象,疲劳破坏形式以纤维拉伸为主并伴随一定的纤维簇拔出和基体分层现象。     

碳/碳复合材料表面烧蚀多尺度粗糙度模拟

通过建立碳/碳(C/C)复合材料在宏观、微观不同尺度上的烧蚀模型,利用有限元方法分析了C/C复合材料在烧蚀过程中的体积损失、表面粗糙度以及烧蚀性能的变化规律。微观上,模拟了材料烧蚀呈现的尖笋状粗糙度形貌。宏观上,采用ALE方法,并基于实验结果通过Fortran编程控制材料表面烧蚀后退运动,建立了C/C复合材料表面烧蚀的多尺度热力耦合分析模型,并进行瞬态有限元分析。结果表明:材料烧蚀表面粗糙度程度与烧蚀速率、材料性能密切相关;并且随着材料烧蚀程度的不同,材料的表面应力也相应变化。     

C/C复合材料弯曲性能数值模拟与试验验证

对C/C复合材料在弯曲载荷下的性能进行了试验研究和有限元数值模拟研究。试验中,沿两个加载方向分别测试了C/C复合材料的弯曲性能,绘制了试验件的载荷位移曲线并给出了损坏试验件的微观照片。在有限元模拟中,采用了Linde失效准则来进行模拟,预测了C/C复合材料在垂直于纤维方向上的弯曲强度。有限元模拟结果与试验结果相比,误差为3.56%。最后分析了C/C复合材料在弯曲载荷作用下的损伤破坏机理。C/C复合材料受到弯曲载荷时,发生破坏的主要原因是轴向纤维在拉伸应力下达到强度极限而破坏。纤维损伤主要出现于0度纤维层的中间部分,而基体的损伤分布情况范围较广,主要集中于上表面和试件的中间部分。     

碳/碳复合材料表面烧蚀多尺度粗糙度模拟简

通过建立碳/碳（C/C）复合材料在宏观、微观不同尺度上的烧蚀模型,利用有限元方法分析了C/C复合材料在烧蚀过程中的体积损失、表面粗糙度以及烧蚀性能的变化规律。微观上,模拟了材料烧蚀呈现的尖笋状粗糙度形貌。宏观上,采用ALE方法,并基于实验结果通过Fortran编程控制材料表面烧蚀后退运动,建立了C/C复合材料表面烧蚀的多尺度热力耦合分析模型,并进行瞬态有限元分析。结果表明：材料烧蚀表面粗糙度程度与烧蚀速率、材料性能密切相关;并且随着材料烧蚀程度的不同,材料的表面应力也相应变化。     

三维编织C/C复合材料界面相各向异性性能数值设计与表征

三维编织C/C复合材料在制备过程时会存在于基体中,纤维上的缺陷以及界面相的异构。从界面相的异构出发,通过计算机来模拟带有界面相异构的三维编织C/C复合材料模型,预测复合材料在具有界面相异构下的结果,为研究具有不同形式微结构的编织复合材料本构关系,预测编织复合材料的弹性力学行为,搞清不同微结构对应的破坏模式和破坏机理提供参考。     

碳毡体密度对C_f/C复合材料抗弯强度的影响

采用快速化学液相沉积法(RCLD)制备Cf/C复合材料。研究碳毡体密度对Cf/C复合材料抗弯强度的影响;利用应力-应变曲线分析Cf/C复合材料的断裂特征;用扫描电子显微镜观察材料的断面形貌。结果表明:对于沉积工艺相同的试样,Cf/C复合材料抗弯强度随毡体密度的增加而增大;界面结合能力强的材料呈现脆性断裂特征,界面结合适中的材料出现假塑性效应。     

细编穿刺3D碳/碳复合材料双向拉伸实验研究

对细编穿刺3D碳/碳复合材料双向拉伸性能进行了实验研究,介绍了双向拉伸实验方法,自行设计制作了一套双向拉伸实验装置,采用有限元分析方法进行了十字型试件的设计.对两种不同铺层的细编穿刺3D碳/碳复合材料进行了1∶1应力状态下的双向拉伸实验,得到了材料在该种应力状态下的强度,试件初始破坏都发生在中心区.研究结果为该种材料在复杂应力状态下的强度分析奠定了基础.     

二维编织C/SiC复合材料开孔构件的拉-压力学性能研究

通过大量试验研究了二维编织C/SiC复合材料带孔构件的拉伸和压缩性能,结合断口观察分析了其在拉伸和压缩载荷下的损伤和破坏机理.试验结果表明,二维编织C/SiC复合材料带孔构件的强度主要受孔径w和构件宽度d之比的影响,其拉伸表现出完全的非线性特性,压缩在低应力时表现为线性,应力较高时则表现为非线性响应.断口观察表明,二维编织C/SiC复合材料开孔构件的拉伸和压缩都沿着开孔中线破坏.其拉伸断口较为平齐,基体开裂以及纤维拉伸断裂是主要破坏形式;压缩破坏呈现剪切断面,压缩断面和压缩加载方向形成一个较小夹角,层间分层和纵向纤维剪切断裂是其主要破坏形式.     

砼四点剪切(Ⅱ型)断裂的数值研究

有关Iosipescu四点剪切实验的争论很多，国内外的研究者提出了各种各样的结果。本文用有限元的方法对大量的各种尺寸和国载方式的砼四点剪切试件进行了详细的分析。通过对裂尖两尖之间韧带区域的应力场物分析，发现增加试件高度或缩短加载点与裂纹面的距离将更有利于四点剪切加载下砼的Ⅱ型破坏。但裂纹长度的增加的影响并不一定有益于砼试件的Ⅱ型破坏。     

一种三维四向碳/碳复合材料的微观结构与力学性能

采用轴棒法编织三维四向碳纤维预制体。经高压沥青浸渍碳化致密化工艺(HIPIC)处理后,该预制体被制成高密度三维四向碳/碳(C/C)复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜(OM)对其微观结构和断面形貌进行分析;采用拉伸、压缩和三点弯曲等试验方法对其力学性能进行测试。结果表明:轴棒法编织的三维四向C/C复合材料致密均匀,力学性能良好;断口的扫描电子显微镜图片表明复合材料的破坏方式以假塑性断裂为主。     

Defects Recognition of 3D Braided Composite Based on Dual-Tree Complex Wavelet Packet Transform

Textile-reinforced composites,due to their excellent highstrength-to-low-mass ratio, provide promising alternatives to conventional structural materials in many high-tech sectors. 3D braided composites are a kind of advanced composites reinforced with 3D braided fabrics; the complex nature of 3D braided composites makes the evaluation of the quality of the product very difficult. In this investigation,a defect recognition platform for 3D braided composites evaluation was constructed based on dual-tree complex wavelet packet transform( DT-CWPT) and backpropagation( BP) neural networks. The defects in 3D braided composite materials were probed and detected by an ultrasonic sensing system. DT-CWPT method was used to analyze the ultrasonic scanning pulse signals,and the feature vectors of these signals were extracted into the BP neural networks as samples. The type of defects was identified and recognized with the characteristic ultrasonic wave spectra. The position of defects for the test samples can be determined at the same time. This method would have great potential to evaluate the quality of 3D braided composites.     

准三维C/C复合材料的压缩性能及其破坏机理

以炭纤维针刺毡为预制体,分别采用CVI法和CVI与结合液相法相结合的方法制备热解炭、树脂炭和沥青炭基质的准三维C/C复合材料,并研究了这些材料的压缩性能及其破坏机理。研究结果表明:压缩强度随致密度提高而增大;炭基体对压缩强度的影响从大到小依次为CVI炭,树脂炭和沥青炭;树脂炭的垂直压缩强度与CVI炭的垂直压缩强度相近,两者都高于沥青炭;3类基质炭试样的压缩破坏均表现为韧性断裂方式,其中平行压缩主要以分层劈裂的方式破坏,致密度较低的试样垂直压缩呈现出压溃破坏,致密度较高的试样垂直压缩表现为剪切破坏或分层破坏。     

三维编织复合材料威布尔概率分布数学模型

首先分析了三维编织工艺和预制件细观结构,对三维编织复合材料基本的单胞力学模型进行分析,然后运用三细胞模型,对圆形截面三维编织复合材料的工程弹性常数进行理论预测,最后通过数学推导,导出了三维编织复合材料剩余刚度和疲劳寿命的威布尔概率分布函数的表达式,并给出了上述两个分布函数中有关参数的确定方法,为进一步研究三维编织复合材料疲劳寿命试验和寿命预测提供一定的理论依据.     

不同根系方位及径级下草本植物根土复合体抗剪强度试验研究

本文选取中国过渡带北侧山地土壤与莎草科植物(针薹草)开展植物根-土复合体抗剪强度试验研究,分析不同根系方位及径级下草本植物根-土复合体抗剪强度增强作用以及抗剪强度指标变化规律。试验结果表明：相同法向应力下, 根-土复合体试样的抗剪强度随着方位角度的增大而逐渐增加,且当方位角θ=90°时即垂直布根时,根-土复合体试样的抗剪强度达到最大;根-土复合体试样的抗剪强度随着径级的增加而逐渐增大;随着根系方位角的增加,根-土复合体试样的粘聚力逐渐增大;相同方位角时,随着根系径级的增加,根-土复合体试样的粘聚力亦逐渐增大;根-土复合体内摩擦角与根系径级和方位影响不大且规律性不明显。     

含弱界面的复合材料层合板对水平剪切波的散射

对含有弱界面的复合材料层合板,采用弱连接界面的剪切弹簧模型,借助波函数法研究了水平剪切波入射时层合板对波的散射,得到了解析结果.数值计算结果表明,弱界面处在不同位置时,对以一定角度入射到复合材料层合板的水平剪切波,其反射和透射系数有明显变化;当层合板中弱界面的力学性能参数强弱不同时,以入射角为变量所得到的透射系数和反射系数曲线呈现出明显差异.证明了根据含弱界面复合材料层合板所得到的水平剪切波的散射规律,不仅能够确定反映弱界面力学性质的参数R的大小,而且还能够判明弱界面所在的位置,这将为复合材料层合板中弱界面的超声无损检测提供依据.     

Effects of Fiber Volume Fraction on Damping Properties of Three-Dimensional and Five-Directional Braided Composites

The effects of fiber volume fraction on damping properties of carbon fiber three-dimensional and five-directional( 3D-5Dir)braided carbon fiber / epoxyres in composite cantilever beams were studied by experimental modal analysis method. Meanwhile,carbon fiber plain woven laminated / epoxy resin composites with different fiber volume fraction were concerned for comparison. The experimental result of braided specimens shows that the first three orders of natural frequency increase and the first three orders of the damping ratios of specimens decrease, when the fiber volume fraction increases. Furthermore,larger fiber volume fraction will be valuable for the better anti-exiting property of braided composites,and get an opposite effect on dissipation of vibration energy. The fiber volume fraction is an important factor for vibration performance design of braided composites. The comparison between the braided specimens and laminated specimens reveals that 3D braided composites have a wider range of damping properties than laminated composites with the same fiber volume fractions.     

不同载荷和对偶下C/C-Cu复合材料的摩擦磨损性能

以炭纤维针刺整体毡为预制体,用化学气相渗透（CVI）、浸渍/炭化（I/C）的方法制备密度和基体炭不同的C/C多孔坯体,采用真空熔渗将铜合金液渗入C/C坯体中制备C/C-Cu复合材料,研究试验条件对复合材料摩擦磨损性能影响。研究结果表明：随着时间的延长,C/C-Cu复合材料摩擦因数趋于稳定;随着载荷的增加,摩擦因数和体积磨损先增后减,当载荷为80 N时达到最大值;试样摩擦因数和体积磨损与对偶件有关,当采用硬度较高的40Cr钢为对偶件时,试样摩擦因数随着时间的延长而增加并趋于稳定,且磨损量最大;当采用硬度低的黄铜和紫铜为对偶件时,试样摩擦因数随着时间变化不大,与紫铜对偶时的磨损量最小;C/C-Cu复合材料的磨损机制主要为磨料磨损、粘着磨损,采用40Cr钢作对偶时氧化磨损加大。     

碾压混凝土直剪试件细观结构的数值模拟

从细观层次上将碾压混凝土试件当作是由硬化水泥粉煤灰砂浆、粗骨料、二者间的粘结带以及水泥砂浆中间层面组成的非均质复合材料，由随机骨料模型模拟碾压混凝土的细观结构，用非线性有限元法模拟试件在直剪作用下的细观损伤断裂，从而求得其宏观抗剪断强度，计算结果与《混凝土重力坝设计规范》所提供的参考值较为吻合，据此还进行了试件破坏机理分析，应用此种计算方法，可节省直剪试验工作量，并可进行直剪试件的尺寸效应分析，有广阔的应用前景。     

Statistical Model of the 3-D Braided Composites Strength

Based on the statistical model for the tensile statistical strength of unidirectional composite materials and the stress analysis of 3-D braided composites, a new method is proposed to calculate the tensile statistical strength of the 3-D braided compos- ites. With this method, the strength of 3-D braided composites can be calculated with very large accuracy, and the statistical parameters of 3-D braided composites can be determined. The numerical result shows that the tensile statistical strength of 3-D braided composites can be predicted using this method.