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。     

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。     

基于界面端奇异性理论的单纤维拔出试验的试件设计

在单纤维拔出试验中，由于试件的界面端存在应力奇异性，这使试验所得到的界面剪切强度数据失去合理性[1]。但从文献[1]关于微珠脱粘试验研究的结论中可以发现当基体的楔形角小于某临界角度后，微珠试件界面端应力奇异性几乎消失。由此启发我们设计出一种楔形角小于该纤维／基体系统临界角的锥面的拔出试件，这样即可以防止出现传统拔出试件在界面端的强应力奇异性，又可以避免微珠脱粘试验自身的缺陷。界面端具有任意楔形角的轴对称模型被用于分析和确定纤维／基体系统的临界角，对方程进行渐近展开和分离变量处理，根据边界条件可以得到关于特征值λ的特征方程，针对确定的纤维／基体系统可以得到特征值和楔形角的关系曲线，我们把应力奇异性指数等于-0．005时所对应的楔形角定义为临界角，以及根据临界角设计锥面拔出试件的方法。     

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.     

压入实验界面端奇异性研究

纤维压入实验是复合材料界面剪切强度细观实验方法之一,其试件通常由复合材料中切割下来制备而成,从中选取单根纤维,进行压入试验,所以被选中的纤维可看成是被纤维和纯基本材料构成的横观各向同性复合材料所包裹。本文以此为依据,建立了横观各向同性复合材料基体包裹各向同性纤维的轴对称模型,采用逐次渐近等求解方法,得到了求解该模型界面端应力奇异性指数的特征方程,并计算了碳纤维／环氧树脂、碳纤维／铝和碳纤维／Al2O3压入试件界面端奇异性随碳纤维体积百分含量的变化情况。     

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。     

横观各向同性轴对称界面端奇异性研究

套筒模型是复合材料中常用的进行纤维、基体间应力传递分析的轴对称模型.在套筒模型中,中心为纤维,纤维外包裹的"套筒"有假设为各向同性基体材料的,也有假设为横观各向同性复合材料的.不失一般性,本文将纤维和基体均视作横观各向同性材料,建立了任意楔形角的横观各向同性复合材料基体包裹横观各向同性纤维的轴对称模型,采用两次坐标变换、逐次渐近等求解方法,得到了求解该模型界面端应力奇异性指数的特征方程.考虑常见的碳纤维/环氧树脂复合材料制成的压入和拔出试件,根据得到的特征方程计算了两种试件的界面端奇异性指数随碳纤维体积百分含量的变化情况,结果发现,随纤维体积百分含量的增加,两种试件界端的奇异性均呈减弱趋势.     

弱界面端初始失效位置的试验初探

通过双材料受压试验研究了弱奇异性界面端的界面初始脱粘点的位置问题。实验材料采用钢和有机玻璃,根据弱奇异性要求和界面端应力分布特征,设计、制作了试件,并进行了初始脱粘实验。由实验发现楔形角为30°、45°和55°试件的界面初始脱粘点位置均在界面内部,脱粘是由有限应力引起的。63°是个临界角楔形角,大于63°试件,脱粘多会从界面端开始,即脱粘由奇异的界面应力引起的。此外界面正应力若为拉应力时,它对界面脱粘有很大的贡献。     

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。     

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。     

纤维端部的界面裂纹分析

基于弹性力学空间轴对称问题的通解,研究了短纤维增强复合材料中纤维端部的轴对称币形和柱形界面裂纹尖端的应力奇异性,得到了裂纹尖端附近的奇异应力场．研究结果表明,这两种轴对称界面裂纹尖端的应力奇异性相同,并且与平面应变状态下相应模型的应力奇异性一致,材料性能对裂纹尖端附近奇异应力场的影响可用三个组合参数描述     

微拉曼光谱研究M55JB碳纤维/微滴的拉伸变形行为

使用评价纤维/基体界面力学性能的新方法纤维微滴拉伸测试,来研究M55JB碳纤维/环氧树脂基体之间的界面应力传递性能。使用自制的微加载装置对碳纤维/环氧树脂微滴试样进行对称式拉伸测试,用微拉曼光谱仪记录下不同应变下的嵌入微滴内纤维上的拉曼频移信号,经过应力/频移关系转换成纤维轴向应力。实验结果显示,微滴内纤维轴向应力随载荷而明显增加。根据界面力平衡模型得到相应的界面剪切应力呈反对称式分布,在纤维嵌入端存在剪应力集中。新测试方法能保证嵌入微滴内纤维上的应力呈对称式分布,而且能降低纤维嵌入端附近的应力奇异性。     

单纤维压出实验模型的力学分析

单纤维压出实验是一种细观实验方法,用于测量复合材料的界面强度。本文采用子域法处理多域问题,利用轴对称边界元程序,对单纤维压出实验模型的应力传递进行了分析,并与常用的剪切滞后理论的分析结果进行了比较,发现在大部分纤维埋置区域,两种分析吻合很好,在纤维与基体的界面端部,边界元的分析结果显示界面应力在该区域有奇异现象,而剪滞理论则无法反映应力奇异现象。应力奇异现象的存在使得我们对该实验的界面强度判据需要     

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。     

纤维增强韧性基体界面力学行为

分析了纤维增强韧性基体的界面力学行为及其失效机理,按剪滞理论和应变理化规律研究微复合材料的弹塑性变形和应力状态,讨论了幂硬化和线性硬化基体的弹塑性变形和界面应力分布,并给出纤维应力和位移的表达式。按最大剪应力强度理论建立了纤维／基体界面失效准则,推导出弹塑性界面失效的平均剪应力随纤维埋入长度的变化关系。