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.     

界面脱粘对陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响

采用细观力学方法对脆性纤维增强的陶瓷基复合材料拉-拉疲劳载荷下应力-应变迟滞回线进行了研究,将拉梅公式与库仑摩擦法则相结合分析了界面脱粘区以及粘结区复合材料细观应力场.根据卸载与重新加载时纤维相对基体滑移机制,分析了加卸载纤维轴向应力分布,结合断裂力学界面脱粘准则确定了初始加载界面脱粘长度ls、卸载界面反向滑移长度y以及重新加载界面滑移长度z',讨论了界面脱粘能和界面摩擦系数对初始界面脱粘、卸载界面反向滑移、重新加载界面滑移以及加卸载迟滞回线的影响.并与Pryce-Smith模型和试验数据进行对比表明:该文模型与试验曲线吻合的较好.     

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.      

拉-拉循环荷载作用下的界面脱粘研究

应用弹性力学和断裂力学基本理论，基于剪滞模型，研究了纤维增强复合材料中纤维与基体界面在拉-拉循环荷载作用下的疲劳脱粘特性。建立了描述疲劳裂纹扩展的等效Paris公式，得到了界面疲劳脱粘扩展速率、脱粘应力以及脱粘界面的摩擦系数与循环加载次数的关系式。通过数值模拟计算，进一步分析了界面疲劳脱粘的力学机理。本文分析，考虑了疲劳加载引起的脱粘界面的损伤及损伤分布的不均匀性。同时还考虑了材料泊松比的影响。     

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.      

共晶基陶瓷复合材料的强度模型

根据细观结构内界面的强约束特性,通过纤维-基体内界面切应力确定了共晶陶瓷棒体的细观应力场.然后分析了两相界面处位错塞积产生的应力集中,获得基体内的最大应力,当最大拉应力等于基体理论断裂强度时,得到共晶棒体的断裂强度的解析表达式.考虑共晶陶瓷棒体长度和方位的随机性,根据概率理论得到共晶陶瓷基复合材料的宏观强度的理论模型.结果表明复合材料的宏观强度与亚微米纤维的直径和长度、以及亚微米纤维、基体、共晶陶瓷棒体的弹性常数有关.理论与实验结果十分接近,说明文中理论模型是合理的,同时证明了共晶界面对陶瓷复合材料的重要影响.     

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。     

二维编织陶瓷基复合材料应力-应变行为

对二维编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟. 将二维 编织结构简化为：正交铺层结构和纤维束波动结构. 基于基体随机开裂、纤维随机断裂分布 理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分进行分割, 引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系. 结合正交铺层部分和纤维束波动 部分的应力-应变关系,得到二维编织结构的应力-应变行为,理论与试验吻合较好.     

2D编织陶瓷基复合材料应力-应变行为的试验研究和模拟

本文对2D编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟。将2D编织结构简化为：正交铺层结构和纤维束波动结构。基于基体随机开裂、纤维随机断裂的统计分布理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分分割为若干子单元;由于纤维束的波动使各子单元材料方向与加载方向不一致,因此考虑了各子单元的线性行为和非线性行为对材料响应的影响,同时引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系。结合正交铺层部分和纤维束波动部分的应力-应变关系,得到2D编织结构的应力-应变行为,理论与试验吻合较好。     

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。     

各向异性复合材料中界面屈服/脱粘对裂纹扩展的影响

本研究针对层状复合材料中正交于层合面的裂纹,研究裂纹前方层状界面发生屈服或脱粘现象对该裂纹前沿应力场的扰动。通过利用叠加原理,借用滑移型位错密度表征界面的屈服或脱粘。利用Chebyshev数值积分法求解相应的位错密度的奇异积分方程,得到沿界面屈服/脱粘区域的位错密度分布及裂端区应力场。结果表明,若层状复合材料界面为发生屈服或脱粘,将减弱独立层裂尖的应力奇异性,进而抑制独立层中裂纹的扩展。     

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、逐渐脱粘、完全脱粘．界面的刚度和纤维长径比对界面应力传递与最大拔出力均有一定的影响．界面刚度、纤维长径比主要影响纤维的最大拔出载荷以及界面脱粘失效位移．     

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。     

金属基复合材料的强度与损伤分析

用细观计算力学的方法分析了金属基复合材料(MMC)多重损伤与强度的关系,采用唯象的内聚力模型模拟纤维/基体界面的脱粘和采用G-T模型描述韧性基体的损伤.并用上述模型分析了长纤维增强MMC在横向荷载作用下损伤演化的规律,讨论了不同界面性质与材料强度及损伤、破坏模式之间的关系.     

纤维压出实验双向脱粘现象的数值研究

本文利用轴对称边界元程序，对影响纤维同界面剪面应力分布的材料和几何参数；纤维与基体的弹性模量比，纤维体积分数，试件厚度和支撑孔尺寸进行了数值分析工作，找出了纤维压出实验中导致界面双向脱粘的主要影响参数，给出了关于性暮一经和纤维体积分数的两界面端初始剪切脱粘的发生区域。     

平纹编织陶瓷基复合材料面内剪切细观损伤行为研究

采用约西佩斯库(Iosipescu)纯剪切试件,研究了平纹编织SiC/SiC和C/SiC复合材料的面内剪切应力-应变行为和细观损伤特性.通过试验获得了材料不同方向上的单调和迟滞应力-应变行为,对比分析了两种材料的剪切损伤特性,结果表明材料的剪切损伤演化规律受热残余应力水平影响严重.由试件断口电镜扫描结果发现剪切加载状态下桥连纤维承受显著的弯曲载荷和变形,据此提出了纤维弯曲承载机制,并结合裂纹闭合效应分阶段阐释了材料的剪切迟滞环形状.基于材料的剪切细观损伤机制,通过两个损伤变量表征了材料的剪切损伤演化进程,得到了材料的面内剪切细观损伤演化模型.对比发现2D-C/SiC复合材料45°方向基体裂纹的起裂应力明显小于2D-SiC/SiC复合材料,而两者0°/90°方向裂纹的起裂应力基本相同.      

轴对称圆柱界面裂纹的应力奇异性

复合材料中,纤维与基体的界面脱粘是复合材料细观损伤的基本形式之一。复合材料界面粘结强度对复合材料的宏观力学性能有重要的影响。复合材料界面断裂韧性的定义与测试要求对圆柱界面裂纹尖端应力场的奇异性有充分的了解。本文对轴对称圆柱界面裂纹的应力奇异性采用逐步近法作了近似的分析,文中对获得的所似结果作了较深入的讨论。     

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。     

金属基复合材料的蠕变与松弛

本文利用微观力学方法研究了金属基复合材料的常温蠕变和应力松弛,连续纤维在弹性粘塑性基体内单向铺设。本文的结果与实验结果符合较好。研究表明,纤维在轴向对基体的蠕变起到明显阻止作用,而在横向和剪切变形下的作用较小。在低应力水平下,复合材料的蠕变变形很小,在高应力水平时,蠕变变形明显甚至引起蠕变破坏。