短纤维夹层对Ⅰ型层间断裂韧性的影响

考虑短纤维在层间杂乱分布特点,基于基体剥落和纤维拉出耦合,建立了层间短纤维夹层的桥联增韧模型和解法,用于分层韧度增量ΔGIC的预报,讨论了短纤维长度和模量的影响·计算结果表明,当碳纤维/树脂层板在层间加入少量的Kevlar短纤维时,层间裂纹张开位移导致短纤维从基体中剥离,在纤维中引起的张力产生桥联力并使纤维拉出,在纤维间相互干扰下,拉出过程中产生的能量耗散使层间断裂韧性明显提高·算例表明,中等界面摩擦、较长的纤维长度和较高的模量有利于提高ΔGIC·计算结果与Sohn和Hu的实验比较表明,建议的模型是合理有效的·     

待发表文章摘要预报

短纤维夹层对Ⅰ型层间断裂韧性的影响李英梅 ,刘　军 ,黄宝宗考虑短纤维在层间杂乱分布特点 ,基于基体剥落和纤维拉出耦合 ,建立了层间短纤维夹层的桥联增韧模型 ,用于分层韧度增量ΔＧＩＣ的预报 ,讨论了短纤维长度和模量的影响·计算结果表明 ,当碳纤维 /树脂层板在层间加入少量的Ｋｅｖｌａｒ短纤维时 ,层间裂纹张开位移导致短纤维从基体中剥离 ,在纤维中引起的张力产生桥联力并使纤维拉出 ,在纤维间相互干扰下 ,拉出过程中产生的能量耗散使层间断裂韧性明显提高·算例指出 ,中等界面摩擦、较长的纤维长度和较高的模量有利于提高ΔＧＩＣ…     

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     

层间短纤维的Ⅱ型纤维桥联分析

对于层间加入增韧短纤维的连续纤维增强树脂层板的Ⅱ型层间增韧问题,考虑层间短纤维杂乱分布和几乎与层间裂纹平行的特点,基于基体剥落与纤维拉出耦合,考虑非桥联短纤维对剥离的干扰作用,建立了层间短纤维在Ⅱ型层间裂纹情况下的桥联模型.通过对不同角度桥联纤维拔出过程的分析,得到了桥联力与位移的关系.数值分析表明,除了角度接近90°的纤维外,拉出之前位移均很小,桥联力迅速增加,拉出过程中桥联力下降,位移大幅度增加,能量耗散主要发生在拉出阶段.随角度的增加,桥联力和能量耗散迅速减小.     

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.     

冲击载荷作用下层间短纤维增韧研究

采用基于全量Lagrangian理论的非线性有限元方法研究了冲击载荷作用下含层间短纤维的复合材料层板的分层扩展问题.通过Newmark方法求解动力学方程,以能量释放率作为裂纹扩展准则.用节点双编号和节点分离技术模拟裂纹扩展,用双向弹簧单元模拟层间短纤维作用.通过改变弹簧刚度修正短纤维桥联力,在裂纹表面和冲击接触区设置接触单元,并以罚函数法计算接触力,分析了层间短纤维的桥联作用对裂尖应力场和能量释放率的影响.结果表明:层间短纤维的桥联作用有效地降低了层间应力集中程度和裂尖能量释放率,增韧效果明显.     

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。     

长纤维复合材料非线性细观模型

本文基于Huang细观理论弹性模型,建立桥联参数与基体等效塑性应变的函数关系式,从基体塑性及塑性应变改变复合材料应力场分布两个方面研究复合材料非线性。从而,细观力学桥联模型能够分析基体塑性变形对基体与纤维协同工作的影响。本方法运用传统塑性理论计算基体的塑性变形,以改进的桥联矩阵考虑分配基体和纤维应力,计算过程相对简明。最后,本文用该方法分析了单向复合材料剪切性能,理论计算值与实验结果吻合较好。     

短纤维增强橡胶密封复合材料纵向拉伸模量的预测方法

摘要： 建立了含界面相、纤维和基体的短纤维增强橡胶（SFRR）密封复合材料纵向拉伸模量的预测模型,采用Mori Tanaka方法得到了SFRR的纵向拉伸模量的预测公式,将其计算结果与试验数据进行对比;同时,探讨了纤维体积分数、界面相的厚度和模量对复合材料纵向拉伸模量的影响.结果表明：纵向拉伸模量预测模型的计算值与试验值较吻合,其最大相对误差为11.2%;SFRR的纵向拉伸模量随着纤维体积分数的增加而增大;界面相模量对SFRR纵向拉伸模量的影响显著,当界面相模量小于基体模量时,SFRR的纵向拉伸模量随着界面相厚度的增加而减小;当界面相模量大于基体模量时,SFRR的纵向模量随着界面相厚度的增加而增大.     

短纤维复合材料中短纤维对基体裂纹的阻滞效应

分析在短纤维增强复合材料中纤维跨过基体裂纹时 ,纤维对裂纹扩展的阻滞作用。现有的文献只限于研究桥架纤维阻滞作用的二维力学模型和纤维处裂纹不拉开的模型 ,这些模型与实际情况均不符合。该文从裂纹扩展及部分纤维脱粘的实际情况出发 ,推导出纤维在复合材料中的阻滞效应公式。结果可以看出 ,影响阻滞效应的因素是复合材料中纤维含量、纤维与裂纹的尺寸大小 ;纤维材料与基体材料的模量 E、纤维长径比以及纤维与基体脱粘的临界能量释放率等     

玄武岩纤维织物高延性混凝土拉伸性能

为研究玄武岩纤维织物高延性混凝土（TR-HDC）的拉伸力学性能，设计和制作了36组TR-HDC狗骨形拉伸试件，通过单轴拉伸试验研究织物配网率、PVA短纤维掺量、基体类型和网格间距（5mm、10mm）对TR-HDC拉伸力学性能的影响.试验结果表明：随织物配网率的增加，TR-HDC试件的抗拉强度大幅提高，多裂缝开展特征明显；PVA短纤维的掺入可有效改善织物与基体的界面特性，防止基层的剥离，减少织物与基体之间的滑移，并且提高织物强度利用率；网格间距增大时，掺入的PVA短纤维更容易穿过织物网格，与纤维束充分接触，增加了织物与基体的机械锚固力，使纤维织物的强度利用率提高；基体中粉煤灰掺量的改变对于TR-HDC试件的抗拉强度影响较小，而粉煤灰掺量较多时，试件的应变较大，裂缝间距较小.通过对试验结果进行回归分析，考虑PVA掺量与纤维织物耦合作用，给出了TR-HDC单轴抗拉强度简化计算模型.     

生物医用聚乳酸纤维增强壳聚糖棒材

利用原位沉析法制备了聚乳酸纤维/壳聚糖复合棒材,对复合棒材的微观形貌、力学性能进行了表征.有机聚乳酸纤维和有机壳聚糖基体具有良好的相容性,纤维表面还会因氢键等作用和基体产生物理吸附及一定的分子链缠结,SEM结果表明,纤维与基体间形成了良好的界面作用.复合棒材因聚乳酸纤维的加入有效地提高了弯曲强度和模量.当添加8%(质量分数)11 mm长的纤维时,复合材料弯曲强度达到108.9 MPa,比壳聚糖提高了54.9%,复合棒材弯曲模量达到4.74 GPa,比壳聚糖提高了170.9%.聚乳酸纤维和壳聚糖均具有良好的生物相容性和可降解性,这种复合材料在可吸收内固定材料方面将具有广阔的用途.     

在I型模式下异型截面Z-pin增强效果的数值分析

摘要： 针对单根Z-pin拔出试验以及未增强/Z-pin增强的双悬臂梁（DCB）试验建立了三维有限元仿真模型.在拔出试验的模拟过程中,以静-动摩擦系数模拟Z-pin在基体中的脱胶 拔出过程,以计算所得桥联力作为输入参数,通过连接器模拟Z-pin在层合板中的桥联作用,得到了DCB试验的载荷-位移曲线.同时,将所建模型用于计算异型截面Z-pin的桥联力,以及异型截面Z-pin增强DCB试件的载荷,以定量分析Z-pin截面周长对其增强效果的影响.结果表明,所建立的有限元模型的模拟结果与实验值较吻合.     

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。     

在Ⅰ型模式下异型截面Z-pin增强效果的数值分析

针对单根Z-pin拔出试验以及未增强/Z-pin增强的双悬臂梁(DCB)试验建立了三维有限元仿真模型.在拔出试验的模拟过程中,以静-动摩擦系数模拟Z-pin在基体中的脱胶-拔出过程,以计算所得桥联力作为输入参数,通过连接器模拟Z-pin在层合板中的桥联作用,得到了DCB试验的载荷-位移曲线.同时,将所建模型用于计算异型截面Z-pin的桥联力,以及异型截面Z-pin增强DCB试件的载荷,以定量分析Z-pin截面周长对其增强效果的影响.结果表明,所建立的有限元模型的模拟结果与实验值较吻合.     

航空刹车用C/C复合材料断口分析

利用SEM断口形貌分析了现役航空刹车用C/C复合材料的结构和界面结合状况,探讨了其断裂机理,分析了化学气相沉积炭的沉积机理.结果表明:C/C复合材料的断裂以"弱界面断裂"为主.裂纹优先在基体炭、炭布层间或长纤维束和短纤维间的弱界面等薄弱环节处产生.当裂纹尖端扩展到基体炭中的微裂纹处时,裂纹扩展转向;当裂纹扩展到纤维时,取道纤维与基体炭间弱界面层向前扩展,纤维经历与基体炭脱粘、弯曲、拔出、断裂等过程,导致整个材料断裂.航空刹车用C/C复合材料中的CVD炭以粗糙层状结构为主,CVD过程包括碳氢气体热解、成核、炭化、沉积生长等过程,其中,成核以物理成核为主.图2,表1,参16.     

纤维端头裂纹对复合材料有效性能的影响

利用自洽有限元法研究了在纤维端点界面脱粘的短纤维复合材料的有弹弹性性能问题，计算了含有纤维端头裂纹的单向短纤维复合材料的有效纵向拉伸模量和纵向剪切模量，并分析了体分比，刚度比，长径比等物理，几何因素的影响，通过与现有结果的比较，证实了本文结果的合理性，研究表明，纤维端头裂纹对效纵向拉伸模量和剪切模量均有明显的影响。     

芳纶短纤维增强橡胶复合材料界面力学性能表征及有限元模拟

基于Python-ABAQUS二次开发,考虑芳纶纤维与橡胶基体之间的非理想界面,生成了随机芳纶短纤维增强橡胶复合材料的二维代表体积单元.对芳纶短纤维增强橡胶复合材料(aramid fiber-reinforced rubber composite, AFRC)数值模型施加周期性边界条件进行仿真分析,并结合单轴拉伸实验研究了纤维体积分数对AFRC拉伸性能的影响.采用内聚力模型对界面的力学行为进行描述,分析界面性质对AFRC轴向拉伸性能的影响.结果表明,在弱界面刚度区域,AFRC的有效弹性模量随纤维体积分数的增加而降低;在强界面区域,AFRC的有效弹性模量随纤维体积分数的增加而增加.利用不同纤维含量的AFRC测得的宏观有效弹性模量可通过刚度-模量曲线预估非理想界面的内聚力模型参数.     

一种纳米复合材料--石墨层间化合物的结构与合成

对一种特殊的纳米复合材料--石墨层间化合物(简称GIC)进行了研究,探讨了GIC纳米结构的表征、合成以及应用.研究中发现采用X射线衍射法和Raman散射法可以表征GIC纳米复合材料的阶结构并进行特征周期层间距(Ic)的计算;控制电化学插层反应的参数可以合成特定结构的GIC纳米复合材料;利用交流阻抗法分析得到电化学插层反应是一个电荷在电解液中迁移、在石墨/溶液界面处吸附以及在石墨层间扩散的过程.     

芳纶短纤维对丁腈橡胶的增强作用

未经粘合处理的芳纶短纤维对丁腈橡胶也有明显的增强作用．通过对芳纶、尼龙及腈纶短纤维增强橡胶复合材料的性能研究,发现芳纶纤维在开炼机上混炼过程中,出现纤维劈裂和原纤化,既增大了纤维的表面积,又使主纤维通过原纤维相互缠结．结果表明：纤维与基体拔脱力的增加,是芳纶短纤维增强丁腈橡胶复合材料拉伸强度和溶胀性能提高的主要因素．