固化温度对碳纤维/环氧基体界面行为影响的分析

对界面粘结性能及热残余应力影响下的单纤维复合材料的界面行为进行了分析。采用界面的弹性-软化内聚力模型,用解析法对单纤维复合材料由固化引起的热残余应力、以及单纤维碎断过程纤维的轴向应力分布进行了模拟,得到了碳纤维/环氧树脂在常温和高温固化两种情况的界面粘结性能。结果表明：与常温固化相比,高温固化后,界面的剪切强度增幅不大,界面的断裂韧性显著增加;高温固化后形成的界面,使界面的软化提前、界面的脱粘延迟;高温固化产生的纤维轴向和界面径向热残余应力对界面的软化均有延迟作用;界面径向热残余应力还对界面的脱粘有延迟作用。     

超磁致伸缩材料多场耦合非线性力学行为的理论研究

超磁致伸缩材料由于具有位移大、响应快、驱动简单等性能优势,在智能系统中具有广阔的应用前景。对于其力学行为的研究,在理论上涉及的关键科学问题是多场耦合问题的理论建模与定量模拟,而其应用需求则涉及对超磁致伸缩器件性能的定量预测及优化。目前超磁致伸缩材料在工业上最广泛的应用是作为换能器的核心制动元件,其磁学、力学行为与工况密切相关。应力、外磁场、环境温度都会改变材料的磁化强度和应变状态,在交变磁场作用下磁致伸缩棒截面上产生涡电流,该损耗使材料的磁化和应变曲线出现洄滞。针对这些问题已有很多学者[1]-[4]进行了研究,这些工作揭示了外部条件对超磁致伸缩材料磁学、力学性质的单向联合作用,如图1中虚线所示。然而对于超磁致伸缩材料力学行为的准确刻画还需要考虑更深层次的多物理场耦合关系（图1中实线所示）：由于超磁致伸缩材料被外场磁化而产生磁致应变的同时,被磁化的介质也可以充当一种源而改变其周围的磁场,改变的程度依赖于介质的变形,因此需要考虑介质对周围磁场的反作用;棒截面上的涡电流除了会带来磁滞损耗外还会产生大量的热,改变周围温度,进而因为热膨胀、热磁效应等改变超磁致伸缩棒的磁学、力学输出,所以涡电流的热效应也不可忽略;此外,超磁致伸缩棒在交变磁场下的振动响应使其应力状态发生改变,在建模时不能只考虑所施加的预应力,材料的实时应力状态必须加以考虑。图1中虚线和实线所指向的过程共同构筑了超磁致伸缩材料的多物理场耦合框架,综合考虑这些因素才能准确描述超磁致伸缩材料多场耦合非线性力学行为。本文围绕上述内容逐步深入,针对这一在理论和应用上具有重要意义的问题,开展了理论建模和数值模拟研究。     

用显微云纹干涉法研究SiC/Ti-15-3界面热残余应力场

SiC/Ti-15-3复合材料基体与增强体之间的热膨胀系数存在显著差异。在复合材料制造过程中经高温冷却后,在基体与增强体的界面会产生热残余应力场。此残余应力场对复合材料的力学性能会产生重要的影响。本文运用纤维推出法推出部分SiC纤维后,采用显微云纹干涉法在细观尺度研究了上述界面处的热残余应力,得到了分辨率较高的云纹图,并由此计算出了孔边处的残余应力。用有限元软件对界面热残余应力进行了数值模拟分析。实验结果表明,显微云纹干涉法可以用来测量直径为0.1 mm左右的纤维界面附近的残余应力场,在此尺度下,使用显微云纹干涉法比用电子束云纹法更方便。     

稀土超磁致伸缩材料应力与电磁耦合特性的实验研究

讨论了稀土超磁致伸缩棒特性实验的若干应力与电磁耦合问题，利用自己设计制作的实验装置建立了应力电磁耦合系统的物理模型，应用阻抗分析方法得到了相应的等效电路。测定了在电磁场与应力场共同作用下ＴｂｘＤｙ１－ｘＦｅ２－ｚ三元稀土合金超磁致伸缩棒的磁致伸缩系数，机电耦合系数等。针对磁通泄漏问题，专门设计制作了圆柱型硅钢密闭磁路，本的实验结果为稀土眼磁致伸缩材料应用器提供了重要而准确的数据。     

SMA复合材料在热载条件下的残余应力分析

本文基于三相复合圆柱模型发展了增量型的分析方法,讨论在ＳＭＡ复合材料中由于ＳＭＡ材料相变以及各相材料热特性随温度变化引起的残余应力。研究基体与过渡恸介面和纤维与过渡界面间的残余应力,同时讨论由于基体相的变化对残余应力的影响。特别研究了涂层和复合材料基体间界面处的残余应力受纤维体积比、涂层厚度、纤维最大相变应以及基体中纤维取向等影响,而且讨论了计及应力对相就运动方程的影响时对ＳＭＡ复合材料相变温度和     

磁致伸缩主被动隔振装置中的磁机耦合效应研究

磁致伸缩材料和柔顺位移放大机构组成的主动驱动装置具有精度高、驱动力大等特点.将其与被动隔振装置并联,形成主被动隔振装置,可以弥补纯被动隔振在低频和微幅扰动工况下的不足.本文针对这类磁致伸缩主被动隔振装置进行磁机耦合效应研究.基于Jiles-Atherton模型,分析了磁致伸缩材料所受应力对有效磁场、磁化强度、磁致伸缩系数和材料杨氏模量的影响,表征了材料磁机耦合效应.在此基础上,建立了主被动隔振装置的动力学模型,分析了主动驱动装置与被动隔振装置间的耦合作用.在耦合作用影响下,若被动隔振装置刚度不同,即使输入磁场相同,驱动器产生的驱动位移和驱动力也不相同.磁致伸缩材料的变刚度效应使隔振装置整体等效刚度不再为定值,从而影响被动隔振效果.本文提出了通过柔顺机构参数设计减小前述两种耦合影响的方法.数值仿真结果表明,磁致伸缩主被动隔振装置在低于、接近和高于谐振频率三类扰动下,都能达到比被动隔振更好的振动抑制效果.此外,仿真结果验证了考虑磁机耦合效应的数值模型具有更高精度.      

超磁致伸缩材料的擦除特性和同余特性实验研究

超磁致伸缩材料在力磁耦合作用下具有复杂的迟滞响应。Preisach模型可有效描述物理过程中的滞后现象,它具有两个重要特性,即擦除特性和同余特性。擦除特性是指输入局部极大值擦除了加载过程中小于该值的所有极大值,或输入局部极小值擦除了加载过程中大于该值的所有极小值,同时,与这些历史极值相应的加载历史也被擦除,不再影响之后的输出。同余特性是指输入极大值与极小值相同的所有闭合曲线一致。本文通过实验系统地研究了超磁致伸缩材料在多轴力磁耦合场作用下的磁致伸缩曲线、磁滞回线和应力应变的迟滞行为,发现其在力磁耦合下的非线性滞后行为具有擦除特性和同余特性。这满足了Preisach模型描述滞后现象的两个基本要求,验证了利用Preisach模型描述超磁致伸缩材料迟滞行为的可行性,为超磁致伸缩材料的非线性理论和器件设计提供了依据。     

磁致伸缩主被动隔振装置中的磁机耦合效应研究

磁致伸缩材料和柔顺位移放大机构组成的主动驱动装置具有精度高、驱动力大等特点.将其与被动隔振装置并联,形成主被动隔振装置,可以弥补纯被动隔振在低频和微幅扰动工况下的不足.本文针对这类磁致伸缩主被动隔振装置进行磁机耦合效应研究.基于Jiles-Atherton模型,分析了磁致伸缩材料所受应力对有效磁场、磁化强度、磁致伸缩系数和材料杨氏模量的影响,表征了材料磁机耦合效应.在此基础上,建立了主被动隔振装置的动力学模型,分析了主动驱动装置与被动隔振装置间的耦合作用.在耦合作用影响下,若被动隔振装置刚度不同,即使输入磁场相同,驱动器产生的驱动位移和驱动力也不相同.磁致伸缩材料的变刚度效应使隔振装置整体等效刚度不再为定值,从而影响被动隔振效果.本文提出了通过柔顺机构参数设计减小前述两种耦合影响的方法.数值仿真结果表明,磁致伸缩主被动隔振装置在低于、接近和高于谐振频率三类扰动下,都能达到比被动隔振更好的振动抑制效果.此外,仿真结果验证了考虑磁机耦合效应的数值模型具有更高精度.     

超磁致伸缩材料执行器非线性动力学行为分析

考虑了超磁致伸缩棒的对称有间隙滞回特性,建立了相应的超磁致伸缩材料执行器的动力学模型。通过渐进法分析,得到超磁致伸缩材料执行器运动相应的近似解析式。通过数值模拟,发现对称有间隙滞回非线性振动系统具有复杂的分叉和混沌行为。     

含界面相复合材料热残余应力分析

本文分析了含有界面相纤维增强复合材料热残余应力的空间分布。针对材料实际微结构几何特点,建立含有界面相的三维三相单丝模型,用均匀和梯度函数描述界面相模量随空间变化规律,由轴对称体弹性力学理论得到单丝热残余应力分布,结果表明梯度界面降低了残余应力。通过碳纤维电阻法测出T300/环氧树脂单丝体系固化后的纤维轴向应变,与梯度界面的分析结果基本一致。用叠加方法得到密排六方结构代表性体积元(RVE)中纤维间相互偶合的应力场,同时应用有限元法分析RVE中纤维间的残余应力分布,两者结果相互验证。     

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．     

Interfacial stiffness dependence of the effective magnetostriction of particulate magnetostrictive composites

Terfenol-D composites attract much attention recently due to their large magnetostriction, small eddy energy loss and large operation frequency bandwidth. Binder layer in the composite usually mechanically weakens the composite and reduces the effective properties. A typical kind of magnetostictive composite is composed of Rare Earth metallic compound powder, matrix material and resin binder. The binder, which is usually flexible and forms mechanically weak interface in the composite, inevitably influences the overall magnetostriction of composites. In this paper, a theoretical model was developed to treat a simple deformation case of this kind of mechanically weak interface, in which the flexible layer has low stiffness to withstand deformation but no de-bonding or cracking. An infinite magnetostrictive plane with a circular inclusion was considered, where the matrix and inclusion are all general magnetostrictive materials which can be modeled by the standard square constitutive relation of magnetostriction. The binder layer of a certain thickness was modeled as a set of springs with no thickness but with an equivalent stiffness. The mathematical formulation was brought into the complex variable framework. The magnetoelastic field was solved and the effective magnetostriction was explicitly obtained. Comparisons with experimental results were also presented. In terms of this analysis, the interfacial stiffness has significant influences on the overall magnetostriction of composite. Increasing the interfacial stiffness can lead to large magnetostriction of composites. The measure for improving the interfacial stiffness includes increasing the binder modulus and reducing its thickness.     

弹塑性复合材料力学性能的细观研究

应用细观力学的Eshelby等效夹杂理论研究了复合材料的弹塑性问题。以铝基复合材料为例,建立了多轴载荷下复合材料弹塑性应力-应变关系,并且理论预报与实验结果符合较好,分析了夹杂形状、体积分数及加载路径对材料宏观性能的影响。同时,还研究了热塑性复合材料热膨胀系数与工艺温度之间的变化规律,分析了热残余应变对材料设计的影响。     

金属基复合材料中的热残余应变场及其对材料细观行为的影响

基于SiC／Al基复合材料中的SiC颗粒周期性排布的假设,采用轴对称体胞方法研究了金属基复合材料中的热残余应变场与粒子形状、体积分数等参数间的内在联系;在此基础上,探讨了热残余应变对夹杂内部和基体—夹杂界面的应力集中因子的影响．所得结果对于理解热残余应变对空洞形核的影响有参考价值。     

考虑夹杂相互作用的复合陶瓷夹杂界面的断裂分析

复合材料中夹杂含量较高时,夹杂间的相互作用能显著改变材料细观应力应变场分布,基体和夹杂中的平均应力应变水平也会发生较大变化,导致复合材料强度等力学性能发生显著变化. 为修正单一夹杂模型运用在实际材料中的误差,基于相互作用直推估计法,建立一种考虑含夹杂相互作用的夹杂界面裂纹开裂模型. 首先根据相互作用直推估计法,得到残余应力和外载应力共同作用下夹杂中的平均应力,再计算无限大基体中相同的夹杂达到相同应力场时的等效加载应力,将此加载应力作为含界面裂纹夹杂的等效应力边界条件,在此边界条件下求得界面裂纹尖端的应力强度因子,进而得到界面裂纹开裂的极限加载条件,并分析了夹杂弹性性能、含量、热残余应力、夹杂尺寸等因素对界面裂纹开裂条件的影响. 结果表明,方法能够有效修正单夹杂模型运用在实际材料中的误差,较大的残余应力对界面裂纹开裂有重要的影响,夹杂刚度的影响并非单调且比较复杂;在残余应力较小时,降低柔性夹杂刚度或者增大刚性夹杂刚度都有利于提高材料强度;扩大夹杂尺寸将导致裂纹开裂极限应力显著降低,从而降低材料强度.      

Effect of interface stress on the fracture behavior of a nanoscale linear inclusion along the interface of bimaterials

This paper investigates the influence of residual interface tension on the fracture behavior of a nanoscale linear interface inclusion in a bimaterial matrix. Solutions to the inclusion opening displacement and the energy release rate are obtained. The results show that the interface effect on the inclusion deformation and inclusion tip field are prominent at nanoscale. Especially, the residual interface stress has a dramatic influence on the energy release rate. It is also found that the importance of the interface effect depends on the size of the inclusion, the shear modulus ratios of the bimaterial. The inclusion opening displacement and the energy release rate can be reduced considerably by decreasing the inclusion length at nanoscale.     

非理想界面对三相复合材料应力场的影响

对非理想界面的三相复合材料,提出了计算弹性应力场的微观力学模型,在适当的简化假设下,对带界相的颗粒增强和纤维增强复合材料,得到了应力场的计算公式。以剪切载荷为例给出了数值例子。给出的数值结果表明非理想界面对三相复合材料应力场的影响。     

Effect of interface stresses on the image force and stability of an edge dislocation inside a nanoscale cylindrical inclusion

Dislocation mobility and stability in inclusions can affect the mechanical behaviors of the composites. In this paper, the problem of an edge dislocation located within a nanoscale cylindrical inclusion incorporating interface stress is first considered. The explicit expression for the image force acting on the edge dislocation is obtained by means of a complex variable method. The influence of the interface effects and the size of the inclusion on the image force is evaluated. The results indicate that the impact of interface stress on the image force and the equilibrium positions of the edge dislocation inside the inclusion becomes remarkable when the radius of the inclusion is reduced to nanometer scale. The force acting on the edge dislocation produced by the interface stress will increase with the decrease of the radius of the inclusion and depends on the inclusion size which differs from the classical solution. The stability of the dislocation inside a nanoscale inclusion is also analyzed. The condition of the dislocation stability and the critical radius of the inclusion are revised for considering interface stresses.     

功能铁磁材料的变形与断裂的研究进展

综述了近几十年, 特别是近十几年来铁磁材料的力磁耦合变形与断裂行为的研究概况. 传统铁磁弹性问题的研究已经有较长时间的积累, 文献中已有大量的研究结果发表. 近些年 来, 随着智能材料及结构应用与研究的兴起, 功能铁磁材料如稀土超磁致伸缩材料、铁磁相 变材料以及铁磁复合材料等的力学行为越来越受到重视, 人们在功能铁磁材料的变形与断裂 以及铁磁复合材料的有效性质等方面开展了大量的研究工作. 本文在简单介绍了经典铁磁弹 性和传统铁磁结构的力磁性能的研究背景基础上, 结合作者近年来在铁磁材料变形与断裂方 面所开展的工作, 着重评述了功能软铁磁材料在变形与断裂的实验研究,如实验设备和技术, 以及铁磁复合材料细观力学、软铁磁材料、铁磁功能材料的变形与断裂理论等方面的研究进 展, 并指出了需要进一步研究的方向.