纤维－基体界面剪切强度与断裂韧性的表征和测定

根据单向复合材料纤维分布、剪切变形与裂纹扩展的细观分析,提出纤维－基体界面剪切强度和断裂韧性的简易细观表征与测定方法.     

纤维─基体界面剪切强度与断裂韧性的表征和测定

根据单向复合材料纤维分布、剪切变形与裂纹扩展的细观分析,提出纤维一基体界面剪切强度和断裂韧性的简易细观表征与测定方法．     

纤维─基体界面剪切强度与断裂韧性的表征和测定

根据单向复合材料纤维分布、剪切变形与裂纹扩展的细观分析,提出纤维一基体界面剪切强度和断裂韧性的简易细观表征与测定方法．     

埋入式光纤传感器界面剪切强度实验

采用实验方法对光纤与基体间界面性能进行研究.用临界断裂长度法直接测定界面的剪切强度,由于光纤拉伸强度高于树脂基的拉伸强度,出现试验时基体破坏而光纤完整地从树脂基中拔脱的现象.用单丝拔出法测量光纤与基体之间界面剪切强度,试验结果表明,光纤单丝拔出时,总是出现光纤涂层在锚入端断裂,而纤芯从涂层中拔脱的现象,说明当光纤埋入复合材料中,涂层和基体材料结合为一体,光纤涂层与纤芯之间界面剪切强度最低.承载时,若光纤所受正应力超过σ_(max),会出现光纤涂层与纤芯之间界面脱离,产生裂纹,降低整体结构力学性能.     

弱界面复合材料中的基体裂纹

利用二维弹性力学模型研究了纤维增强复合材料中基体裂纹与弱界面的相互作用机理．文中首先导出各向异性弹性多层介质中刃型位错的基本解，然后运用这些基本解建立了弱界面复合材料中典型的Ｈ型缺陷的奇异积分方程组，通过求解这些方程得到外载荷的大小、弱界面的结合强度、界面的残余压力和摩擦系数、纤维与基体的弹性模量比等微结构参量与基体裂纹附近的应力场的关系     

计及界面损伤的复合材料正交(混杂)叠层板的应力集中分析

对正交(混杂)叠层复合材料最终拉伸破坏过程中的细观应力集中问题,提出了一种修正的剪滞分析模型;研究了叠层中由于90°层的基体开裂、层间界面破坏、0°层中部分纤维断裂及纤维/基体界面损伤相互作用所导致的细观应力重新分布,获得了相应的应力集中因子和界面破坏区长度与界面剪切强度的定量关系。本文结果为进一步研究正交叠层复合材料的细观破坏机理、最终拉伸强度及协同效应等提供了重要的理论依据。     

碳纤维增强塑料层合板正交层间的剪切强度

1. 前言在以往的一些复合材料性能测试标准和有关讨论层间剪切破坏的文献中,都只引入单向复合材料的层间剪切强度。然而事实证明,正交铺层间的剪切强度(称正交层间剪切强度) 要比单向铺层间的剪切强度(称单向层间剪切强度)低得多。因此,只用单向层间剪切强度不足以说明层合板的层间剪切强度,尤其是把它用作设计指标时就更不合理,也不安全。为此,我们引进了正交层间剪切强度这一新的强度指标,并设法正确地测定了它。若以此作为设计指标就保证安全。测定单向层间剪切强度已经有了较合理的方法,它是用短梁的三点弯曲来测得的。本文也提出用短梁的三点弯曲来测定正交层间剪切强度。不过试样材料是用〔0_m/90_n〕_s这类正交铺设层合板。     

有限尺寸下双材料界面附近裂纹位置对裂纹尖端的影响

随着复合材料的应用和发展,不同材料组成的界面结构越来越受到人们的重视。界面层两侧材料的性能相异会引起材料界面端奇异性,同时界面和界面附近存在裂纹会引起裂尖处的应力奇异性。因此双材料界面附近的力学分析是比较复杂的。本文建立双材料直角界面模型,在材料界面附近预设初始裂纹,计算了有限材料尺寸对界面应力场及其附近裂纹应力强度因子的影响。运用弹性力学中的 Goursat 公式求得直角界面端在有限尺寸下的应力场以及其应力强度系数。通过叠加原理和格林函数法进一步得到在直角界面端附近的裂纹尖端应力强度因子。计算结果表明,在适当范围内改变材料内裂纹与界面之间的距离,界面附近裂纹尖端的应力强度因子随着裂纹与界面距离的增加而减少,并且逐渐趋于稳定。分析结果可以为预测双材料结构复合材料界面失效位置提供参考。     

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。     

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。     

冲击作用下复合材料叠层板层间开裂演化模型

采用双线性特性破坏模型研究了复合材料叠层板层间开裂裂纹的演化, 通过引入弹性/剪切模量的损伤参数, 推导出损伤参数与应变之间的微分方程, 并得到裂纹耗散功率与损伤参数变化率之间的关系. 计算不同初始冲击速度下复合材料叠层板某界面上应变、应变率响应以及损伤参数的演化, 即可得到该界面发生层间开裂的情形及其对剪切模量的影响.通过检查界面各点处的损伤参数是否发生改变, 预测了冲击完成之后复合材料叠层板第1, 2层之间发生层间开裂区域的大小与位置; 该预测结果与实验数据及其他破坏准则计算结果基本相符. 计算结果表明, 在冲击过程中当界面上任意点处的剪应力超过剪切强度后, 该点附近的剪切模量开始发生衰减, 衰减大小随铁球初始冲击速度的增大而增大, 并从靠近冲击中心的位置逐渐向周围递减. 在四边简支边界条件下, 复合材料叠层板的层间开裂区域同样最先出现在界面中靠近冲击点的位置, 区域面积随初始冲击速度的增大不断扩大. 当初始冲击速度足够高时, 第1, 2层界面的两条对称轴上开始出现多个独立的开裂区域.      

纤维树脂界面剪切强度及纤维强度分布参数的实验测定

界面剪切强度及纤维强度分布参数是复合材料设计及应用研究中的重要参数，本文采用单纤维段埋入法测定了上述两个参数。通过实验研究说明了单纤维段埋入法是一种测定界面剪切强度及纤维强度分布参数的有效的实验方法；同时证实了基体的力学性能对界面剪切强度有着重要的影响。全部实验在自制的实验系统上完成     

树脂基体性能对纤维缠绕复合材料结构强度影响的研究

实验发现不同树脂基体配方对纤维缠绕复合材料压力容器的水压爆破强度有高达20～35%的影响。本文认为在容器前、后封头上观察到的分层现象是造成这种强度显著波动的主因,并用有限元分析进行了验证。计算结果表明层间剪切应力是引致分层的主要因素,进一步的实验发现基体的层间剪切强度(interlaminar shear strength,简称ILSS)与容器性能之间有很好的相关性。     

热障涂层界面微区域热蠕变应力演化分析

热障涂层热循环载荷下不同界面层蠕变特性是影响界面微区域残余应力变化的关键因素,探究热障涂层蠕变与残余应力的关系有助于提高热障涂层的稳定性。以热弹塑蠕变理论为依据,采用Norton蠕变模型,建立陶瓷层、氧化层、粘接层和基体四层几何分析模型,考虑不同层蠕变和蠕变程度因素,研究热循环载荷作用下涂层界面微区域应力演化规律。结果表明,蠕变参数和蠕变层数的变化影响热障涂层界面残余应力的大小和分布,这对预测热障涂层失效具有指导意义。     

低速撞击下正交型纤维增强复合材料层板的脱层研究

用不饱和聚脂预浸渍玻璃纤维带制作了几种正交型铺层序列的层板梁试件,并对其在固支条件下进行了横向冲击实验。用嵌入式加速度传感器得到了载荷历史,通过高速摄影机和显微摄像系统从层板侧面观察了脱层现象。根据最大剪应力准则,通过对层板内部剪应力的分布以及不同铺层间三种不同剪切破坏强度的近似分析,解释了首次脱层具体位置和二次脱层现象。试验和分析表明,脱层失稳所对应的脱层阈值载荷与试件的铺层结构有关。但是,对不同铺层结构的试件,发生脱层的0°/90°界面具有相同的细观剪切强度。因此,用细观界面剪切强度来分析和预言试件的脱层失稳更具有一般性。     

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。     

动载下复合材料基体裂纹与夹杂相互作用的数值模拟

采用ABAQUS软件及粘聚裂纹模型对动态拉伸载荷下复合材料中垂直于基体-夹杂界面的基体裂纹与夹杂的相互作用进行了数值模拟.结果表明:在给定的界面强度下,当加载率(或应变率)低于某一临界值(临界应变率)时裂纹将沿基体-夹杂界面扩展,当高于该临界值时裂纹可以穿过界面在夹杂中扩展.此外,随着界面强度的提高,临界应变率降低;当界面强度超过一定值后,裂纹扩展方向将不受外部载荷影响,裂纹将沿自相似方向扩展;当界面强度低于该临界值时,裂纹将沿界面扩展;并且临界应变率随夹杂尺寸的增大而降低,即小夹杂更难于破坏.上述结果可为前人的混凝土动态实验数据提供合理的细观理论解释.     

复合材料层合板分层裂纹扩展的试验及数值模拟研究

由于复合材料层合板在制作加工过程中会产生初始的微裂纹,且复合材料具有各向异性的力学特征,因此在承载条件下,这些微裂纹可能在黏结面上及在层与层之间发生、扩展、发展成宏观层间裂纹,最终导致结构的破坏.本文对复合材料层合板试验件进行了拉伸试验,提出了一种复合材料层合板分层建模方法,利用这种方法对一组试验件进行了单向拉伸荷载作用下极限承载力的研究,得出其分层扩展的位置及层间应力分布规律,将试验结果与数值模拟结果进行了对比,论证了分层建模方法对分析复合材料层合板分层裂纹扩展问题的可行性与适用性.     

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。     

碳纳米管网格对碳纤维复合材料层间剪切性能的影响

采用正压过滤法制备了不同厚度的多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes,MWNTs)网格,并将制得的MWNTs网格并入碳纤维层合板的层间界面,研究了网格对层合板II型层间断裂韧性(G_(IIC))和层间剪切强度(ILSS)的影响.结果表明,约20!m厚的多孔MWNTs网格使复合材料的G_(IIC)和ILSS分别提高了约69%和24%.微观断面表明,连续的纳米网格显著提高了碳纤维和树脂基体的界面粘接性能,在剪力作用下,从典型的树脂脆性断裂以及纤维-树脂界面脱粘过渡到MWNTs增强树脂区域内的韧性断裂,一定厚度的MWNTs网格对层间区域起到了良好的增韧效应.