陶瓷颗粒增强金属基复合材料的细观强度分析

陶瓷颗粒增强金属基复合材料的失效主要有界面脱粘、增强粒子开裂等新的细观结构损伤机制。为了减小这些不足并对细观失效过程有一个清晰的了解,近来人们对金属基复合材料进行了大量研究,在此基础上,本文用细观力学的方法和损伤模型研究了陶瓷颗粒增强金属基复合材料的强度和损伤失效。为了计算方便,陶瓷颗粒简化为在复合材料中随机分布的椭球形粒子,然后以二相胞元模型计算分析了金属基体、颗粒中的应力应变分布情况,结果表明,基体中应力极不均匀,界面区存在应力集中,并计算了界面弧形裂纹扩展时的能量。最后分别提出了基体,颗粒和界面的失效强度准则,本文结果对于颗粒增强金属基复合材料具有普遍的实用性。     

界面强度对玻璃微珠填充聚丙烯力学性能的影响

本文针对玻璃微珠填充聚丙烯这一刚性粒子填充聚合物复合体系进行了实验研究。通过偶联剂改性对比,研究了该聚合物复合材料在不同界面粘结状态下的宏观拉伸、冲击力学性能。此外,根据冲击破坏断面的电镜观测结果,发现复合体系的断裂和增韧机制随界面粘结强度不同而发生改变,界面改性使得材料抗冲击破坏能力得到增强。本文还采用在位拉伸过程中的细观观测方法,观测到材料在一维应力作用下,刚性粒子和基体界面的脱粘、开裂过程,分析了该复合体系细观结构和宏观力学性能之间的关系,发现界面改性对于材料细观结构的界面脱粘和宏观屈服现象的重要影响,为发展新型复合材料提供了实验依据。     

FRP加固钢筋混凝土梁界面开裂分析

应用理论分析及有限元模拟和模型试验相结合的方法分析了FRP加固钢筋混凝土(RC)梁界面的开裂破坏规律。研究结果表明:FRP加固RC梁界面开裂可以应用断裂力学的方法解析,理论分析结论与有限元模拟结果一致。在FRP的剥离角度较大时界面是Ⅰ型和Ⅱ型混合开裂;同时考虑到混凝土剪切裂缝上下错动的尺寸与构件的尺寸相比很小,FRP-RC梁界面主要表现为Ⅱ型断裂。界面的应力强度因子随着加载的增加分为三个发展阶段,分别以混凝土开裂和钢筋屈服为分界点,界面的临界应力强度因子约为5.91MPa·m0.5。并结合试验给出了FRP的极限剥离应变,在工程应用中控制FRP应变在剥离应变以内可以有效地避免界面开裂破坏的发生。     

含空心球涂层粒子复合材料界面的脱粘应力分析

在球对称拉伸载荷作用下针对空心球涂层复合材料分析了空心球涂层粒子增强复合材料的局部应力场，得到了界面临界脱粘应力的解析表达式．讨论了各相几何参数对非均匀涂层空心球粒子临界脱粘应力的影响，比较了均匀涂层和非均匀涂层的脱粘应力．结果表明：在球对称拉伸下界面脱粘更容易发生在涂层相与基体相界面间，空心球的壁厚和涂层厚度是影响界面临界脱粘应力的重要因素，因而选择适当的空心球、涂层厚度和提高界面粘结能将有利于提高界面的临界脱粘应力．     

基于能量释放率的Ⅱ型裂纹分叉研究

裂纹尖端存在奇异应力场,该类奇异应力场所具有的高度应力集中将导致裂纹开裂.本文应用典型的J积分理论来划分裂纹尖端的积分路径,基于能量释放率理论对Ⅱ型裂纹尖端的复杂分叉情况进行研究.通过所建立的断裂模型求解出Ⅱ型裂纹多种分叉形式的能量释放率的解析解;导出了各种分叉构型的能量驱动力;提出了各种分叉构型的K-型开裂准则;给出了裂纹分叉的临界开裂角;确定了裂纹的分叉韧性与断裂韧性之间的关系.通过本文研究方法得出的裂纹分叉形式及裂纹分叉临界开裂角与已有实验结果十分吻合.     

颗粒填充复合材料强韧化效应的力学分析

颗粒填充复合材料中基体微损伤形式对材料韧性产生决定性影响。本文通过二相或三相材料中基体应力分布的分析计算，结合损伤萌生的力学条件，对颗粒填充的强韧化效应作出定性分析。计算结果表明，若颗粒刚度高于基体，随着颗粒模量的提高，开裂与银纹趋势逐步增强，由此可知单纯使用硬粒子填充难以实现增韧，但若粒子与基体间有柔性界面相存在，基体屈服趋势将随界面厚度迅速增长，它将在损伤引发机制的竞争中占据优势，成为损伤的主导形式，并由此可成功地实现材料的强韧化。     

含界面裂纹的不可压缩双金属胶接件的解析变分－守恒积分解法

本文根据平面问题的复变函数理论推导了含界面裂纹双金属胶接件满足微分方程、开裂界面边界条件与未开裂界面连续条件的应力与位移本征函数展开式，并建立了不可压缩双金属界面裂纹的复合型守恒积分及其与应力强度因子之关系，进而利用分区广义变分原理满足其余边界条件确定包含应力强度因子在内的展开式系数，得到守恒积分并求出应力强度因子．数值计算表明，沿不同回路的在恒积分具有很好的守恒性而且由这两种方法所得应力强度因子具有很好的一致性．     

含界面裂纹的不可压缩双金属胶接件的解析变分－守恒积分解法

本文根据平面问题的复变函数理论推导了含界面裂纹双金属胶接件满足微分方程、开裂界面边界条件与未开裂界面连续条件的应力与位移本征函数展开式，并建立了不可压缩双金属界面裂纹的复合型守恒积分及其与应力强度因子之关系，进而利用分区广义变分原理满足其余边界条件确定包含应力强度因子在内的展开式系数，得到守恒积分并求出应力强度因子．数值计算表明，沿不同回路的在恒积分具有很好的守恒性而且由这两种方法所得应力强度因子具有很好的一致性．     

界面压入法测定涂层结合强度的实验研究与理论分析

采用具有新颖性的涂层压入仪，在涂层与基体之间的界面压入，可测得压入过程中载荷与压入深度的关系曲线和界面开裂的临界载荷Ｐｗ，此值可反映涂层结合强度。界面压入法适合于评价高结合强度的涂层。根据能量守恒和转化原理，并结合Ｇｒｉｆｉｔｈ处理裂纹问题的思路，可得到结合应力表达式。在具体处理上采用数值计算与实验相结合的方法来近似处理，由此可得到结合应力值。     

近场动力学在断裂力学领域的研究进展

近场动力学采用非局部积分计算节点内力, 利用统一数学框架描述空间连续与非连续, 避免了非连续区局部空间导数引起的应力奇异, 数值上具有无网格属性, 可自然模拟材料结构的断裂问题. 本文概述了近场动力学的弹性本构力模型, 系统介绍了近场动力学临界伸长率、临界能量密度以及材料强度相关的键失效准则. 详细介绍了近场动力学在断裂力学领域的研究进展, 包括断裂参数能量释放率与应力强度因子的求解、J积分、混合型裂纹、弹塑性断裂、黏聚力模型、动态断裂、材料界面断裂以及疲劳裂纹扩展等. 最后讨论了断裂问题近场动力学研究的发展方向.      

Theoretical analysis on the local critical stress and size effect for interfacial debonding in particle reinforced rheological materials

The mechanisms of interfacial debonding of particle reinforced rheological materials are studied. Based on an energy criterion, a simple formula of local critical stress for interfacial debonding is derived and expressed in terms of the interfacial energy. The particle size effect on interface debonding can then be analyzed easily owing to the fact that critical stress is inversely proportional to the square root of particle radius. By taking PP/CaCO₃ system as an example, the present energy criterion is compared with the mechanical debonding criterion, and it is found that under the condition that bond strength is equal to matrix strength and particle radius not over 0.2μm, the mechanical debonding criterion can be automatically satisfied if the energy criterion is satisfied. A relation between critical time and interface energy is calculated by using the energy criterion. The influences of the particle volume fraction and the parlicle size, the loading rate and the relaxation time of the matrix on the critical time of interfacial debonding are also discussed. Supported by the National Natural Science Foundation of China (19632030 and 19872007) and Natural Science Foundation of Jiangsu Province.     

石墨烯与柔性基底界面载荷传递的拉曼光谱实验

本文研究了CVD制备的大尺寸石墨烯与柔性PET基底在拉伸变形过程中切向界面载荷传递的问题,采用原位拉曼光谱实验给出了加载过程中石墨烯的正应变、正应力以及界面切应力的分布曲线。分析表明,石墨烯与PET基底间的载荷传递存在四个阶段,分别是初始阶段、粘附阶段、滑移阶段和界面脱粘破坏阶段。在此基础上,本文对50μm、140μm、270μm和600μm四种尺寸石墨烯试件的界面力学性能进行测量,得到了不同尺寸石墨烯试件的界面力学性能参数,并初步给出了基底变形引起的石墨烯切向界面粘接能的变化,同时分析了试件尺寸对石墨烯界面力学性能的影响。实验结果表明,石墨烯材料和柔性基底最大切应力与临界脱粘切向界面粘接能等界面强度指标受到尺寸的显著影响,尺寸越小切向界面强度越高,反之,尺寸越大则越低。     

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。     

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.     

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。     

纤维增强韧性基体界面力学行为

分析了纤维增强韧性基体的界面力学行为及其失效机理,按剪滞理论和应变理化规律研究微复合材料的弹塑性变形和应力状态,讨论了幂硬化和线性硬化基体的弹塑性变形和界面应力分布,并给出纤维应力和位移的表达式。按最大剪应力强度理论建立了纤维／基体界面失效准则,推导出弹塑性界面失效的平均剪应力随纤维埋入长度的变化关系。     

3D FINITE ELEMENTANALYSIS OF THE DAMAGE EFFECTS ON THE DENTAL COMPOSITE SUBJECT TO WATER SORPTION

The damage effects of water sorption on the mechanical properties of the hydroxya-patite particle reinforced Bis-GMA/TEGDMA copolymer (HA/Bis-GMA/TEGDMA) have been predicted using 3D finite cell models. The plasticizer effect on the polymer matrix was considered as a variation of its Young's modulus. Three different cell models were used to determine the influence of varying particle contents, interphase strength and moisture concentration on the debonding damage. The stress distribution pattern has been examined and the stress transfer mode clarified. The Young's modulus and fracture strength of the Bis-GMA/TEGDMA composite were also predicted using the model with and without consideration of the damage. The former results with consideration of the debonding damage are in good agreement with existing literature experimental data. The shielding effect of our proposed model and an alternative approach were discussed. The FCC cell model has also been extended to predict the critical load for the damaged and the undamaged composite subject to the 3-point flexural test.     

Dynamic stress analysis of the interface in a particle-reinforced composite

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