纤维增强聚合物复合材料的摩擦学研究进展

综述了纤维增强聚合物复合材料（ＦＲＰＣ）的研究和发展,主要分析了纤维的最佳含量,纤维方向,纤维混杂以及纤维的表面处理对增强复合材料摩擦学性能的影响及作用机理,讨论了偶件及表面形貌,温度,ｐｖ值和环境因素对其摩擦学性能的影响,简述了国外聚合物复合材料磨损机理的研究现状;并提出了今后研究ＦＲＰＣ应重视的问题。     

植物纤维增强复合材料力学高性能化与多功能化研究

论文从植物纤维的微观结构、化学组成以及力学性能入手,针对植物纤维增强复合材料的界面性能,综述了国内外采用植物纤维表面处理方法来提升复合材料力学性能的研究进展,分析了所遇到的瓶颈,并进一步从复合材料结构设计的角度出发,充分利用植物纤维独特的多层次、多尺度的微观结构特点,通过揭示植物纤维增强复合材料多层次、多尺度的界面力学损伤破坏机制,实现了植物纤维增强复合材料的界面调控和力学高性能化。在此基础上,提出了植物纤维增强复合材料兼顾阻燃和声学性能的结构设计原则和特有的界面力学研究方法。此外,也介绍了相关基础研究成果在航空、轨道交通等领域的示范应用,并针对实现绿色复合材料的结构功能一体化的应用提出了未来研究方向。     

石英纤维布氰酸酯树脂基复合材料的环境试验性能研究

对石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料进行了常温、低温和湿热三种环境下的拉伸、压缩、面内剪切、层间剪切和钉孔挤压等试验研究,得到了该复合材料的拉伸压缩面内剪切的强度和弹性模量以及层间剪切强度和钉孔挤压强度等力学性能参数。结果表明:石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料的力学性能参数具有温度相关性。在低温环境下,力学性能参数不同程度地增强,最大增长量达40%;而在高温环境下,力学性能参数则明显下降,最高下降量达到56%。另外,由于复合材料的层间性能主要由基体决定,所以湿热环境对复合材料层间性能的影响很大,在工程实际中应特别关注。     

复合材料非破坏性测试

非破坏性测试用于检验材料和结构的内在特征,了解构件原有缺陷对性能的影响,并在进行各种载荷条件下力学性能试验时观察或试验后检查构件的破坏过程,以分析和确定构件的强度、刚度、断裂、疲劳、振动等力学性能以及破坏机理,复合材料由两种以上的增强元件及基体构成,材料本身就是一种力学结构,如纤维增强复合材料,纤维是主要承力件,基      

FRP片材在土建修复加固工程中应用的力学问题

纤维增强复合材料(FRP)片材由于其优异的力学性能和施工的便捷性而备受国内外土木建筑领域的高度关注,并得到了迅速的推广应用.本文结合国内外的研究现状及本课题组的研究工作,对FRP片材(纤维布、纤维板和纤维薄板)在土木建筑修复加固工程中应用的主要力学问题-FRP片材加固钢筋混凝土(RC)构件的静力学性能、疲劳性能、界面的力学性能、以及构件的耐久性等进行综述和讨论,并试图指出今后有关FRP片材修复加固RC构件力学性能的研究方向.     

稀土改性对碳纤维增强聚酰亚胺复合材料在不同温度下摩擦学性能的影响

采用CSEM THT07-135高温摩擦试验机,研究了不同温度下碳纤维增强聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损行为,重点考察了稀土改性对复合材料摩擦学性能的影响.结果表明;稀土改性处理可以提高复合材料在测试温度范围内的减摩耐磨性能.通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)对纤维改性前后的形貌进行分析,发现稀土溶液对纤维表面具有一定的刻蚀作用,进而提高了其比表面积;通过XPS测试分析,发现改性后的碳纤维表面的O、N含量增加,从而提高了纤维表面的极性,最终提高了纤维与树脂间的界面结合强度和材料的耐磨性能.     

短纤维金属基复合材料应力传递的有限元分析

基于短纤维增强金属基复合材料的单纤维轴对称和三维细观力学模型,利用弹塑性有限元分析方法对该复合材料中基体与纤维间的应力传递进行研究,研究中主要讨论了基体、纤维和界面的力学性能以及纤维位向的变化对应力传递和应力分布的影响。研究表明,复合材料微结构参数的变化将显著影响基体与纤维间的应力传递和复合材料中的应力分布,复合材料设计过程中必须考虑合理的微结构特征。     

三维机织复合材料力学性能研究进展

对近年来关于三维机织复合材料力学性能的研究作了综述和归纳。研究表明,三维机织复合材料的力学性能不仅取决于纤维和基体的性能,而且与三维增强结构形式密切相关。通过对三维机织增强结 构的研究,获得了机织复合材料的细观结构和主要力学特征的关系,强调了增强纤维束轴向几何特征和截面形状对材料细观结构的重要影响。试验研究集中于观测机织复合材料的破坏模式,以分析三维机织结构对阻止损伤微裂纹扩展的贡献。理论分析方面较为成熟的研究是三维机织复合材料线弹性力学性能,其研究基础是层板理论模型、取向平均模型和有限元分析模型。而对强度及损伤方面的研究还有待于进一步的工作。本文对当前研究工作中的关键问题进行分析,并就今后的研究工作发表一些看法。      

Kevlar纤维增强复合材料动态压缩力学性能实验研究

通过实验较系统地研究了Kevlar纤维增强复合材料的动态压缩力学性能,实验结果表明,在冲击压缩载荷作用下Kevlar纤维增强复合材料有明显的损伤软化现象和应变率效应,针对Kevlar纤维增强复合材料动态应力应变实验曲线,提出了含损伤的率相关动态本构方程,由于所引入的损伤最反映了Kevlar纤维增强复合材料内部基体开裂、脱层、纤维断裂等多种破坏模式的总体效果,因此所提出的本构方程形式相对说来比较简便并易于嵌入目前有关冲击力学的有限元或有限差分程序,有一定的工程应用价值。     

二维三轴编织复合材料的弹性性能分析

提出了二维三轴编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的弯曲扭转状态及空间交错特性等几何元素。基于体积平均法,建立了预测二维三轴编织复合材料弹性性能的理论分析模型;通过引入更普遍适用的周期性位移边界条件,结合二维三轴编织复合材料的细观实体结构,建立了分析其力学性能的有限元模型。两种模型预测结果均与试验结果吻合,证明了方法的合理有效性。分析了材料受载下的细观应力分布,并讨论了编织参数对材料性能的影响。研究表明,二维三轴编织复合材料轴向性能得到了增强,应力分布更均匀,编织角以及纤维体积含量对材料弹性性能影响较大。     

A nonlinear constitutive model of unidirectional natural fiber reinforced composites considering moisture absorption

Moisture absorption in natural fiber reinforced composites causes remarkable degradation of mechanical properties. A nonlinear constitutive model is proposed to study the effect of the water uptake on the mechanical properties of unidirectional natural fiber reinforced composites. Accompanying the water absorption in the composites, there are several irreversible thermodynamic processes such as fiber degradation and interface damage. The energy dissipation induced by these processes is described by an internal variable, and two degradation parameters representing interface damage and fiber degradation are introduced to reflect the modulus reduction of the composite. Particularly, the model is used to derive the evolution of elastic moduli influenced by the moisture absorption. The predictions from the present model show a good agreement with experiment results of sisal fiber unidirectional reinforced composites.     

不同温度下2种钨结构增强Zr基非晶合金的动态压缩性能

利用SHPB装置对钨丝增强Zr基非晶复合材料和钨骨架增强Zr基非晶复合材料进行了3种环境温度下多种应变率的动态压缩性能测试。比较了2种材料的动态力学性能,发现二者均具有应变率敏感性和较强的塑性变形能力。但二者承载机制存在较大差异。钨丝增强结构变形主要表现在钨丝的失稳,由数值模拟初步分析了这种局部结构失稳控制的变形以及热失稳现象;钨骨架增强结构变形前期钨骨架起主要承载作用,而不是各成分的共同作用,这导致材料的屈服强度比纯非晶和纯钨的低。     

Connections between different models describing imperfect interfaces in periodic fiber-reinforced composites

The paper addresses the problem of modeling of fiber reinforced composites with imperfect bonding between the matrix and the inhomogeneities. The imperfections of different kinds are usually modeled as either layered inhomogeneities or by springs of certain stiffnesses distributed along the matrix/fiber interfaces. We compare the two approaches for the case of incompressible layer between the phases and calculate effective properties of fiber reinforced composites with periodic square arrays of fibers possessing imperfect contact with the surrounding material. We identify the interval of thickness at which the interphase does not influence the effective properties and show how the imperfection effects described by different models can be expressed in terms of each other.     

SMA短纤维增强复合材料在热载下的相交特性

在形状记忆合金（ＳＭＡ）复合材料研究中,相变特性的研究是一个主要的工作．基于Ｅｓｈｅｌｂｙ的等效夹杂模型和Ｍｏｒｉ和Ｔａｎａｋａ的场平均法,考虑到ＳＭＡ材料的强物理非线性,发展了增量型的等效夹杂模型（ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＩｎｃｌｕｓｉｏｎＭｏｄｅｌ）．考虑在某一温度循环条件下讨论形状记忆合金短纤维增强的铝基复合材料在热载下的相变行为．特别研究了ＳＭＡ短纤维复合材料在变温过程中纤维几何尺寸、体积分数等参数对ＳＭＡ复合材料的相变行为和ＳＭＡ内残余应力等的影响．这些工作对于指导材料设计和了解ＳＭＡ复合材料热机械特性是颇有意义的．     

基于迟滞行为的2D-SiC/SiC复合材料组份力学性能分析

基于剪滞理论, 建立了单向纤维增强陶瓷基复合材料的加卸载理论模型, 分析了基体长碎块和短碎块对材料迟滞力学行为的不同影响. 通过拉伸循环加卸载试验, 获得了2D-SiC/SiC 复合材料的迟滞应力—应变行为.依据材料基体损伤特点, 将试验结果代入长碎块对应理论推导结果, 计算得到了4 个表征材料组份性能的参数:基体开裂应力为90 MPa, 热残余应力为19 MPa, 界面脱粘能为3.1 Jm2, 界面滑移力为74 MPa. 最后结合少量短碎块的存在对试验结果的影响, 定性分析了计算结果的偏差. 结果表明, 获得的材料组分性能参数具有较小的分散性, 并能够准确表征材料整体的力学行为.      

混杂短纤维增强复合材料弹性模量预测

在现代工程结构中，纤维增强复合材料具有较高的刚度重量比、优异的耐久性和设计灵活性等优点，因此得到了广泛应用．本文结合细观力学中的Mori-Tanaka方法和Halpin-Tsai方法推导了混杂碳纤维和玻璃纤维增强复合材料有效弹性模量的解析表达式．通过引入参数λ，提出了计算随机方向混合纤维增强复合材料弹性模量的新模型，分析了纤维长径比和体积分数对复合材料弹性模量的影响．结果表明，复合材料的弹性性能对纤维长径比和体积分数非常敏感．根据提出的理论，混杂纤维增强复合材料的弹性模量处于单一纤维（纯碳纤维或纯玻璃纤维）增强复合材料弹性模量之间．对于单一纤维增强复合材料，采用Halpin-Tsai方法计算的复合材料弹性模量高于Mori-Tanaka方法计算结果．     

An exact solution for the three-phase thermo-electro-magneto-elastic cylinder model and its application to piezoelectric–magnetic fiber composites

A three-phase cylindrical model for analyzing fiber composite subject to in-plane mechanical load under the coupling effects of multiple physical fields (thermo, electric, magnetic and elastic) is presented. By introducing an eigenstrain corresponding to the thermo-electro-magnetic-elastic effect, the complex multi-field coupling problem can be reduced to a formal in-plane elasticity problem for which an exact closed form solution is available. The present three-phase model can be applied to fiber/interphase/matrix composites, such that a lot of interesting thermo-electro-magnetism and stress coupling phenomena induced by the interphase layer are revealed. The present model can also be applied to fiber/matrix composites, in terms of which a generalized self-consistent method (GSCM) is developed for predicting the effective properties of piezoelectric–magnetic fiber reinforced composites. The effective piezoelectric, piezomagnetic, thermoelectric and magnetoelectric moduli can be expressed in compact explicit formulae for direct references and applications. A comparison of the predictions by the GSCM with available experimental data is presented, and interesting magnification effects and peculiar product properties are discussed. As a theoretical basis for the GSCM, the equivalence of the three sets of different average field equations in predicting the effective properties are proved, and this fact provides a strong evidence of mathematical rigor and physical realism in the formulation.     

Two-fold enhancement in tensile strength of carbon nanotube–carbon fiber hybrid epoxy composites through combination of electrophoretic deposition and alternating electric field

A new carbon nanotube (CNT)–hybridized carbon fiber (CF) was introduced in an attempt to improve interfacial strength between CF and polymeric matrix. Amine-functionalized CNTs was radially deposited on the CF surface through a combination of alternating electric field with electrophoretic deposition process. Radial deposition of CNTs on CF formed a unique porous structure around CF that could significantly increase the interfacial adhesion through interlocking of polymeric matrix. Tensile properties and fatigue life of the reinforced composites were investigated in order to study the effect of interfacial adhesion on mechanical properties of reinforced composites. Results indicate that the radial deposition of CNT on CF can remarkably enhance the compatibility of polymeric matrix with CF. This improvement in compatibility of polymeric matrix with CNT–hybridized CF resulted in considerable enhancement in mechanical properties of composites. The interfacial reinforcing mechanism was explored through fractography of reinforced composites and possible failure modes have been precisely discussed.