短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料的动态劈裂拉伸实验

为了探究C/SiC陶瓷基复合材料的动态断裂力学行为和破坏形态,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置对3种不同短切碳纤维体积分数的C/SiC陶瓷基复合材料进行了动态劈裂实验,并利用扫描电子显微镜扫描了C/SiC复合材料试件的破坏界面,分析了C/SiC陶瓷基复合材料的失效特征和增韧机理。实验结果表明:C/SiC复合材料在冲击劈裂实验过程中,同一短切碳纤维体积分数下试件的动态抗拉强度随着冲击气压的增大而增大; 短切碳纤维体积分数为16.0%时, 材料的抗拉强度最低; 冲击后,试件的整体破坏情况与冲击气压、短切碳纤维体积分数有关。     

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.      

高温空气下C/SiC复合材料断裂韧性实时测试和微观结构表征分析

为了研究高温空气下C/SiC复合材料断裂韧性和微观结构,采用单边切口梁三点弯曲法实时测试了C/SiC复合材料在高温空气下的断裂韧性,并采用电子扫描显微镜 (scanning electron microscope,SEM)和X 射线衍射分析仪 (X-ray diffraction, XRD)分析了复合材料在不同温度下的破坏断口和失效机制。研究结果表明随测试温度升高,C/SiC复合材料断裂韧性降低,材料的断裂形式由脆性断裂逐渐演变成塑性断裂。从室温升温到1 000 ℃测试温度条件下,C/SiC复合材料的断裂韧性由12.5 MPa·m1/2降低为10.96 MPa·m1/2,降幅仅为12%,C/SiC复合材料高温断裂韧性良好。不同温度下,材料呈现出不同形式的断裂形貌。常温下断口形貌主要可以看到纤维拔出的现象,随着温度的升高,该现象基本消失,断裂截面变得更平整,材料的强度主要取决于基体的强度。     

碳纤维增韧的陶瓷基复合材料在高温高应变率下的压缩力学行为

利用高温电子万能试验机和具有高温同步自组装功能的Hopkinson压杆对二维C/SiC复合材料 进行了应变率为10-4~103s-1,温度为293~1273K下的单轴压缩力学性能测试。实验结果表明:二维C/ SiC复合材料破坏时并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度时出现了显著的应变软化,在经 历了较大的变形后才最终破坏,同时材料还表现出良好的高温承载能力及一定的温度和应变率依赖性。随着 温度的升高,复合材料的压缩强度呈降低的趋势。与准静态下室温压缩时相比,材料在1273K 时的压缩强 度的降低程度不超过30%,但压缩强度对应变率的敏感性随着温度的升高而增大。由于高温下试样氧化,C/ SiC复合材料压缩强度对应变率的敏感性在温度为1073K时显著增大。     

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.     

纤维增强陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线模型研究

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.      

极端环境下连续碳纤维增韧的陶瓷基复合材料的力学行为

连续纤维增韧的碳化硅复合材料(以下简称C/SiC),作为超高速飞行器热结构使用时,有可能在高温环境下受到高速撞击的作用,因此,掌握其在极端环境(高温、高应变率)下的力学性能是进行结构安全设计的基础。本文采用具有高温实验能力的分离式Hopkinson杆,在293~1273K温度范围内进行了动态压缩力学性能测试,研究了环境温度和加载速率对材料力学性能的影响。结果表明:C/SiC复合材料的高温压缩力学性能主要受应力氧化损伤和残余应力的共同影响。实验温度低于873K时,应力氧化损伤的影响很小,而由于增强纤维和基体界面残余应力的释放使界面结合强度增大,复合材料的压缩强度随温度的升高而增大;当实验温度高于873K时,应力氧化损伤加剧,其对压缩强度的削弱超过残余应力释放对强度的贡献,材料的压缩强度随温度的升高逐渐降低。由于应力氧化损伤受应变率的影响很大,当温度由873K升高至1273K时,高应变率下压缩强度降低的程度要比应变率为0.0001/s时低得多。     

不同结构C/SiC复合材料的摩擦磨损性能研究

采用反应熔体渗透工艺制备了短切纤维C/SiC与三维针刺C/SiC复合材料,在MM-1000型摩擦磨损试验机上考察了2种结构C/SiC复合材料在模拟飞机正常着陆时的摩擦磨损性能.结果表明:短切纤维C/SiC与三维针刺C/SiC刹车盘的平均摩擦系数分别为0.31和0.39,线磨损率分别小于1.2 μm/次以及2.3 μm/次,质量磨损率分别小于14 mg/次与19 mg/次;随着温度的升高,2种结构C/SiC复合材料的热扩散率均降低且较小,从而使得其摩擦曲线出现"翘尾"现象;由于三维针刺C/SiC复合材料在反应熔体渗透过程中纤维受到严重损伤,故在2种结构C/SiC刹车盘对摩时,三维针刺C/SiC刹车盘出现破坏性损坏,而短切纤维C/SiC刹车盘的结构完整性较好.     

高温下C/SiC复合材料弯曲断裂性能实时测试和微观结构表征分析

采用先驱体浸渍裂解法制备三维编织的C/SiC复合材料,利用自主研发的高温散斑制作技术和改进的三维变形光学测试系统,基于数字图像相关技术测试原理,在高温小尺度下实时表征分析C/SiC复合材料的力学性能。运用X射线衍射和扫描电子显微镜测试分析了材料高温氧化情况、显微组织结构及裂纹扩展情况。研究表明:温度对C/SiC复合材料的性能有很大的影响。随着温度的升高,材料由脆性断裂逐渐转变为韧性断裂;材料的断裂韧性由7.98±0.12MPa·m~(1/2)减小到2.76±0.11MPa·m~(1/2),断裂强度从251.40±2.71MPa减小到86.94±1.82MPa。本文为掌握C/SiC复合材料的高温失效机理提供了一种有效的实验测试技术和方法。     

倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料的细观力学模型

利用平均化方法提出了倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料弹性性能分析的三维细观力学模型,对材料的弹性性能进行了预测。这个力学模型考虑了倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料经向纤维束的弯曲和纬向纤维束的平直,纤维束的横截面形状尺寸和相邻纤维束之间的孔洞以及材料制造过程中碳纤维性能下降对弹性性能的影响。基于层合板理论,提出两种单胞应变状态假设分别对材料的九个弹性常数进行了推导计算,结果表明两种方法理论的预测值非常接近。计算结果与实验值比较吻合,表明所提出的细观力学模型是合理的,可以为纺织陶瓷基复合材料的优化设计提供有价值的参考。     

纳米SiC增强CoCrMo高温抗磨复合材料及摩擦学性能

采用粉末冶金技术制备了纳米SiC陶瓷颗粒(0.0%、1.0%、2.2%和3.4%,质量分数,后面未作特殊说明,均为质量分数)强化的CoCrMo基高温抗磨复合材料,对复合材料的相组成及高温摩擦学性能进行了系统性研究. 在室温至1 000 ℃范围内利用球-盘式高温摩擦试验机测试了材料的高温摩擦学性能. 结果表明:复合材料的基体主要由γ (fcc)和ε (hcp)合金相构成,加入纳米SiC后复合材料出现了MoCr相,这有利于复合材料硬度的提高;纳米SiC提高了复合材料的硬度,同时降低了复合材料的密度;摩擦系数与纳米SiC的含量和温度相关,摩擦系数随纳米SiC含量的增加而增大,室温至800 ℃的摩擦系数整体呈下降趋势,1 000 ℃时含2.2%和3.4% SiC的复合材料具有较低的摩擦系数;高温环境下复合材料的抗磨损性能随纳米SiC含量的增加而显著提高;复合材料的磨损机理在不同温度下存在差异,随着温度升高,磨损机理逐渐由磨粒磨损和塑性变形转变为氧化磨损. 室温至1 000 ℃范围内CoCrMo-2.2% SiC具有较优异的高温抗磨损性能,这主要归因于复合材料的高硬度和磨损表面完整的氧化物润滑层.      

Z-pins增强C/SiC复合材料层间I型断裂韧性

提出手工预缝纫方法将3K丝束的T300碳纤维引入预成型体,经过多次反复化学气相渗透工艺,在预成型体和缝线处同时渗透SiC基体,制备Z-pins增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料。通过双悬臂梁对称弯曲试验测定了层间I型应变能释放率,分析了材料的裂纹扩展行为和Z-pins增强机理,建立了层间I型裂纹扩展预测模型。结果表明：Z-pins植入平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料层压板能提高层间I型断裂韧性。Z-pins增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料层压板I型层间增强机理主要是Z-pins桥连和Z-pins拔出。层间裂纹扩展预测模型的预测结果与试验结果吻合较好。     

2D-C/SiC拉伸损伤的声发射信号聚类分析

摘要：对2D-C/SiC复合材料进行常温拉伸试验,利用声发射（AE）仪在线监测其损伤过程。应用K-均值聚类算法对AE信号进行模式识别,结合扫描电镜观察,发现2D-C/SiC复合材料拉伸过程的损伤模式包括基体开裂、界面层脱粘、层间剥离、纤维断裂以及纤维束断裂等,并得到了各种损伤模式AE信号参数的中心值。通过对不同损伤模式AE累积事件数和累积能量随时间变化的统计分析,描述了2D-C/SiC复合材料拉伸损伤演化过程。     

2.5维自愈合C/SiC复合材料的压缩力学行为

试验研究了2.5维自愈合C/SiC复合材料的压缩力学行为,根据材料的细观结构特点,建立了压缩载荷下的损伤力学模型,得到了经纬向压缩的非线性应力应变关系,预测结果与试验值吻合较好。结果表明,经向和纬向的力学行为不同,纬向的压应力逐渐增大时,切线模量逐渐增大,压缩强度为270.05MPa,而经向压应力逐渐增大时,层间损伤逐渐发生,经纱承受的弯矩越来越大,切线模量逐渐降低,破坏强度为128.66MPa。     

STUDY ON NONLINEAR CONSTITUTIVE RELATIONSHIP AND FRACTURE BEHAVIOR OF STITCHED C/SiC COMPOSITES$^{\bf 1)}$

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.     

缝合式C/SiC复合材料非线性本构关系及断裂行为研究

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.      

基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析

为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。     

2.5维自愈合C/SiC复合材料弹性性能预测

试验研究了2.5维自愈合C/SiC复合材料（2.5D-C/SiC）的面内弹性性能。根据复合材料的细观结构特点,建立了2.5D-C/SiC的弹性模量预测模型。计算结果与试验值吻合较好,证明了模型及计算方法的正确性。通过改变经纱编织角、纤维束中纤维数以及经纱穿过纬纱的层数,得到了经纱体积含量、纬纱体积含量、纤维总体积含量以及弹性模量随上述参数的变化规律。保持碳化硅与碳化硼总体积分数不变,改变碳化硼与碳化硅的体积比α,得到了弹性模量随α的变化关系。     

纤维复合材料损伤过程的数值模拟

利用界面断裂力学和有限元法数值模拟纤维增强复合材料的细观损伤过程，研究各种主要破坏模式之间的相互转变和影响，指出以断裂能和混合度表示的界面性能是控制复合材料损伤过程的主要细观参数。分析了界面韧度对破坏性能的影响，探讨了基于破坏模式控制的复合材料韧度设计的新途径。     

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.