涂层/基体材料界面结合强度测量方法的现状与展望

界面结合强度是涂层/基体材料体系中的一项重要力学性能指标.而表征与评价涂层/基体材料的界面结合强度又得依靠实验 方法的测定.由于涂层/基体材料体系的多样性与复杂性, 至今还没有形成适合于测量这类材料的界面结合强度的标准方法. 目前, 常用来测量涂层/基体材料的界面结合强度的方法有：拉伸法、剪切法、弯曲法、划痕法、压入法等.本文就目前表征 与评价涂层/基体材料界面结合强度的测量方法做了综述, 讨论了它们的适用范围, 比较了它们的优势与不足.     

光纤力学性能的试验研究

埋入式光纤传感器中,光纤与复合材料之间的相互作用会影响整个结构的力学性能。根据材料表界面学知识,光纤埋入复合材料中,与复合材料结构形成界面,该界面对复合材料的性能产生影响,因此光纤与复合材料之间形成的界面强度的研究意义重大。为了从本质上研究光纤埋入复合材料后对复合材料结构产生的影响,可采用单丝模型法等微观力学方法对光纤与复合材料之间形成界面的强度进行研究。根据理论,界面的剪切强度与光纤自身的拉伸强度有关,因此首先需要对光纤的力学性能进行研究。研究时探讨了两种试验方法,第一种为将光纤两端埋入环氧树脂槽的方法,采用此试验方法可得到光纤的弹性模量约为15GPa,第二种为缠绕的方法。并自制了小型拉伸试验机,在此试验机上进行大量拉伸试验,得到光纤拉伸强度为4.07GPa。     

基于弹性-塑性内聚力模型的纤维拔出界面宏观行为分析

用解析法分析了单纤维从聚合物基体中的拔出过程,采用弹性—塑性内聚力模型模拟裂纹的扩展和界面失效,确定了临界纤维埋入长度,该值区分两种不同长度的纤维拔出过程. 在纤维拔出过程,界面经历不同的阶段. 纤维埋长小于临界长度时,界面的脱粘载荷与纤维的埋长成正比;超过临界长度后,界面的脱粘载荷近似为常数. 分析了界面参数对脱粘载荷的影响:增加界面的剪切强度和界面的断裂韧性,或减小界面裂纹萌生位移,均能提高界面的脱粘载荷;界面脱粘后无界面摩擦应力时,拔出载荷—位移曲线的峰值载荷等于界面的脱粘载荷;界面摩擦应力存在时,使峰值载荷大于脱粘载荷,需要较长的纤维埋入长度和较大的界面摩擦应力.      

单纤维段裂试验评述

单纤维段裂试验作为复合材料界面剪切强度的一种测试方法被沿用至今.但是, 这种方法的可信度已受到一些研究者的质疑.为了明确单纤维段裂试验的问题, 本文首先对试验技术、试验结果分析等方面作了概述, 并指出: 纤维段裂的饱和状态是单纤维段裂试验的终点标志,以及临界长度是由试验得到的唯一数据, 而这二点是这种试验方法独具的特点, 同时也是这种试验方法难以克服的缺陷.在单纤维段裂试验中, 按照纤维段界面端处的局部损伤模式, 有3种界面端应力奇异性分析的问题需要予以考虑:(1)纤维断裂, 基体没有开裂, 和界面没有脱粘;(2)纤维断裂, 基体开裂, 但界面没有脱粘;(3)纤维断裂, 界面脱粘, 基体已开裂或基体未开裂.在单纤维段裂试验的界面端应力奇异性分析的基础上, 本文对单纤维段裂试验的可靠性进行了研究.结论是: 任何纤维和基体组成的复合材料的单纤维段裂试验都存在界面端应力奇异性, 这就排除了用单纤维段裂试验测定界面剪切强度的可能性.      

纤维增强陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线模型研究

纤维增强陶瓷基复合材料初始加载到疲劳峰值应力时, 基体出现裂纹, 纤维/基体界面发生脱粘. 在疲劳载荷作用下, 纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移使得陶瓷基复合材料出现疲劳迟滞现象. 建立了纤维陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线细观力学模型, 采用断裂力学方法确定了初始加载纤维/基体界面脱粘长度、卸载界面反向滑移长度与重新加载新界面滑移长度, 分析了4种不同界面滑移情况的疲劳迟滞回线. 假设正交铺设与编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线主要受0°铺层、轴向纱线内纤维/基体界面滑移的影响, 预测了单向、正交铺设与编织陶瓷基复合材料在不同峰值应力与不同循环的疲劳迟滞回线, 与试验结果吻合.      

INVESTIGATION ON FATIGUE HYSTERESIS LOOPS MODELS OF FIBRE-REINFORCED CERAMIC-MATRIX COMPOSITES

纤维增强陶瓷基复合材料初始加载到疲劳峰值应力时, 基体出现裂纹, 纤维/基体界面发生脱粘. 在疲劳载荷作用下, 纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移使得陶瓷基复合材料出现疲劳迟滞现象. 建立了纤维陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线细观力学模型, 采用断裂力学方法确定了初始加载纤维/基体界面脱粘长度、卸载界面反向滑移长度与重新加载新界面滑移长度, 分析了4种不同界面滑移情况的疲劳迟滞回线. 假设正交铺设与编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线主要受0°铺层、轴向纱线内纤维/基体界面滑移的影响, 预测了单向、正交铺设与编织陶瓷基复合材料在不同峰值应力与不同循环的疲劳迟滞回线, 与试验结果吻合.     

镍涂层对碳纳米管/镁复合材料界面结合强度影响的分子动力学模拟

使用分子动力学模拟方法研究了镍涂覆单壁碳纳米管(SWCNTs)增强镁基复合材料的力学行为.结果表明,镍涂覆SWCNT/Mg复合材料的杨氏模量显著大于未涂覆SWCNT/Mg复合材料的杨氏模量,在碳纳米管表面修饰的Ni涂层可有效传递碳纳米管和Mg基体之间的载荷.此外,还研究了Ni涂层数对SWCNT/Mg复合材料界面结合强度的影响.对于不同Ni涂层数,即无Ni涂层、1层Ni涂层和2层Ni涂层,涂覆1层Ni和2层Ni的SWCNT从Mg基体中完全拔出后的界面结合强度分别约为无Ni涂层SWCNT/Mg复合材料界面结合强度的3.9和11.9倍.     

纤维复合材料界面横向拉伸分析

以单纤维十字型横向拉伸试验为研究对象,对纤维/基体界面采用弹性-软化双线性内聚力模型,建立了纤维复合材料在横向拉伸作用下界面法向失效过程的解析模型。得到了沿纤维/基体圆周界面的法向应力分布,纤维/基体界面的状态与界面承载力和单纤维复合材料承载力的关系,以及内聚力参数和试件几何尺寸对它们的影响。结果表明:纤维/基体圆周界面在脱粘前经历全部弹性及弹性+软化两种状态;当界面为弹性状态时,界面法向应力随界面强度线性增加;当界面为弹性+软化状态时,界面软化范围随界面裂纹萌生位移的增加而增大;界面初始脱粘位置与拉伸荷载方向重合;界面初始脱粘时的界面承载力随界面强度及界面裂纹萌生位移的增加而增加,随界面裂纹生成位移的增加而降低;单纤维复合材料的脱粘荷载受基体截面尺寸的影响,当纤维体积含量相同时,沿荷载方向截面尺寸的增大对提高脱粘荷载更显著。     

一种新的界面脱粘和纤维拔出模型

对纤维增强复合材料中界面的脱粘和纤维的拔出行为进行了研究,通过纤维间距d来考虑纤维之间的相互影响,改变脱粘段的剪切强度和粘结段的临界能量释放率,推导出了纤维拉拔荷载和纤维脱粘长度之间的变化关系,与StangH的模型进行了对比,当纤维间距较大时,纤维之间的相互影响相对较小,此时与StangH的单根纤维拉拔情况较为相符,但当纤维间距较小时,由于临近纤维的影响,使得在相同脱粘长度的情况下,纤维拉拔荷载和纤维拔出端位移有减小的趋势,改变复合材料板层的厚度,由于影响了基体的变形,界面的脱粘和纤维的拔出行为也受到了相应的影响。     

纤维段裂试验的界面端应力奇异性研究

纤维段裂试验是测定纤维复合材料界面剪切强度的细观实验方法之一，其试验结果与其他三种细观试验方法(纤维拔出、纤维压人和微珠脱粘)测得的结果各不相符，相差较大。针对该问题，仔细研究了纤维段裂试验过程，可发现如下两个问题，首先是试件中纤维断裂造成的界面端应力奇异性问题；其次是纤维断成临界长度时界面是否脱粘的问题。针对界面端应力奇异性问题，本文建立了界面端轴对称分析模型，运用渐近展开法，推导出求解界面端特征值的特征方程，并由此得到应力奇异性指数随Dundurs常数的变化规律；采用文献[5]所用试件的纤维／基体性能数据，计算出了界面端的应力奇异性指数，并与文献[7]得到的其他三种试验的界面端应力奇异性指数进行比较，发现纤维段裂试件也存在界面端应力奇异性，而且应力奇异性最强，也说明了与其他三种试验结果不具可比性。本文还对纤维断成临界长度时界面是否脱粘的问题，进行了讨论。     

界面端应力奇异性与复合材料界面剪切强度细观实验分散性分析

复合材料细观实验方法主要有纤维拔出、纤维压力、纤维段裂和微球脱粘实验等四种；但这四种试验得到的界面剪切强度结果存在很大的分散性。虽经三十余年的研究和改进，仍未能消除。为研究分散性产生的原因，本文以轴对称界面端应力奇异性分析为基础，推导出求解四种试件界面端的特征值的特征方程，并给出了特征值随Dundurs常数的变化情况，由此发现用相同的纤维和基体制作的四种试件在界面端存在奇异性不同的应力场，从而阐明了四种界面剪切强度试验结果巨大分散性的产生原因在于纤维和基体间界面处的应力奇异性。     

埋入混凝土的光纤传感器包层力学特性研究

本文用解析解探索光纤传感器埋入混凝土中其包层的特性及重要性。针对外荷载平行与光纤方向施加于混凝土构件时，其包层的材料特性和厚度变化而引起其内部应力分布特性作了一些研究。从解的分析可以看出，在埋入光纤的附近横截面应力集中很大程度上取决于包层的厚度及材料性质。对于给定的混凝土材料存在包层材料和厚度相结合的优化问题，选择某一优化目标，可能减小或消除其应力集中，而这对于光纤传感器在整个运行期间是至关重要。     

Model for measurement of thermal expansion coefficient of concrete by fiber optic sensor

The existence of a coating on an optical fiber results in a difference between the strain of the matrix concrete and that sensed by the embedded fiber optic sensor. This paper deals with the theoretical model for measurement of thermal expansion coefficient of concrete by embedded fiber optic sensor. The fiber core, the coating of the optical fiber, and the matrix concrete were all supposed to be elastic. And the bonding surfaces were supposed to be intact, that is to say, there is no relative slip deformation at the interface between the matrix concrete and the coating of the optical fiber, and that between the coating and the fiber core. Based on these assumptions, a theoretical model was developed for measurement of thermal expansion coefficient of concrete. Some experiments were done to verify the validation of the theoretical model. And the comparison indicates a good agreement between the experimental and theoretical results.     

智能结构中光纤智能夹层力学特性的实验研究

根据光纤自诊断系统模块化、集成化要求,制作出光纤智能夹层,它可以铺设于复合材料结构表面或埋入复合材料结构内部。对智能夹层试件的轴向拉伸试验和层间拉伸试验表明,光纤智能夹层的埋入对复合材料结构的强度性能无显著影响,可以埋入复合材料结构内部并实施健康监测。试验还表明,在一定应变范围内,单膜交错光纤中光强—应变之间具有良好的线性关系,可以在埋入复合材料之前进行标定。     

纤维增强橡胶复合材料界面力学性能有限元分析

基于剪滞理论,引入双线性内聚力模型研究了纤维与基体界面应力传递机理.采用ABAQUS模拟了非理想界面在单纤维拔出过程中的脱粘失效,分析了不同脱粘阶段界面剪应力分布情况,以及界面刚度和纤维长径比对界面应力传递和拔出载荷的影响规律.结果 表明,在纤维受载失效过程中,纤维的拔出过程可分为4个阶段,即界面的完全粘结、损伤演化、...     

薄膜涂层材料界面纯剪破坏标准试验法的开发

界面强度是薄膜涂层材料的最重要的性能指标之一，目前尚缺乏有效的测量方法。测量界面强度的主要困难在于寻求一种便于试验的试件形状和加载方式，使得界面上能够产生不同的应力状态，即在不同的剥离应力和剪应力比的状态下发生破坏。本文采用有限元数值分析（ABAQUS），研究了几种具有简单几何形状的试件的界面应力，并基于大量的数值试验，设计了剪应力为破坏支配因素的试件形状和加载方式，并且给出了便于应用的最大界面剪应力的经验估算公式。该经验公式可以适用于各种材料组合和薄膜涂层的厚度。研究结果表明，通过对薄膜涂层材料试件的基体引入缺口以产生应力集中，进行普通的四点弯曲试验，可以进行剪应力占支配地位的界面破坏试验。利用本文提出的试件形状和相应的最大界面剪应力经验公式，可以通过破坏试验简单地得到界面的剪切强度。