复合材料的新发展

一、复合材料的定义及种类复合材料由两种或两种以上性能不同的材料所构成,其中的每一种组成材料称为复合材料的“组分”。包容组分称为基体材料(简称基体),而被包容组分称为增强材料(增强剂),基体与增强材料的结合面称为界面。这些组分虽然在宏观上彼此牢固地结合成为一个整体,但它们之间、既未发生化学反应也不互相溶解,通常各组分在其界面上可以物理地区分出来,所以复合材料是一种多相材料。复合材料在工程上主要是指一种材料以人工均匀地分散在另一种材料中,以克服单一材料的某些弱点,发挥综合性能而言。一般来说,是由较强的、脆性的、高模量的增      

高应变率下TiC_P/Ti复合材料的动态拉伸性能

采用旋转盘式杆-杆型动态拉伸试验机对TiCP颗粒增强钛基复合材料及其基体钛合金的动态拉伸性能进行了研究.同时为了比较,在MTS810试验机上做了两种材料的准静态试验.试验结果表明,复合材料及基体材料屈服后至材料的迅速失效,几乎没有应变硬化效应;复合材料的抗拉强度和屈服强度较基体明显提高,但延性明显下降;钛合金基体和复合材料均有明显的应变率强化效应,但复合材料的应变率强化效应明显高于基体;建立了复合材料率相关的本构关系.最后从位错等微观角度分析了复合材料的强化机理、复合材料的应变率敏感性以及复合材料应变率敏感性高于基体的原因.     

复合材料界面与其力学性能的关系

复合材料是一种具有多相结构的材料。它由基体(高聚物树脂、金属、陶瓷等)和增强剂(纤维或粉粒状填料)组合而成。这种材料的特点,在于它能根据使用的需要采用不同的宏观或微观的组合形式。换言之,可以进行材料设计。同时,复合材料不仅能综合各组成原材料的特色,而且还有可能具备原材料所没有的特性。因此,复合材料在材料科学领域中很有发展前途,目前已经获得广泛的应用。由于复合材料是一种多相结构的材料,因此必然包含着各组分之间构成的界面。这个界面对手复合材料的性质,尤其是力学性能,起了极其重要的作用。      

2124 Al/SiC_p复合材料的动态变形行为及微结构效应

研究了在动态压缩时２１２４Ａｌ／ＳｉＣｐ复合材料的变形行为与微结构效应．分析结果表明，对于给定材料，复合材料的流动应力主要取决于微结构尺度效应．若增强相尺寸，基体晶粒尺寸以及增强相间距三者大小相当，则复合材料的流动应力取决于增强相的分散程度和位错密度；若增强相尺寸及其间距大小相当，但比基体晶粒大得多，那复合材料的流动应力主要取决于增强相的分散度．微观观测发现在同样加载条件下，变形局部化更容易在含较小碳化硅颗粒的复合材料内形成；变形区内的微损伤几乎都是基体与粒子界面脱粘和粒子角点邻近的微裂纹．对于所研究的这类复合材料，弹性模量及应变硬化几乎不受增强颗粒尺寸影响．     

金属基纳米复合材料等效弹性模量的均匀化方法数值模拟

均匀化理论利用位移场双尺度渐近展开建立有限元列式，本文将其与有限元通用程序相结合，应用于金属基复合材料的弹性本构数值模拟。通过对不同尺度增强相金属基复合材料等效模量的数值模拟，考察了均匀化方法的适用情况。数值计算结果表明，对常规尺度增强相金属基复合材料，均匀化方法可以较准确地预测其等效弹性模量；对纳米增强相金属基复合材料，该方法仍可给出较好的预测，但存在某种程度的系统偏差。通过对纳米尺度增强机理的分析讨论，认为纳米增强相与基体材料问的界面效应可能有别于连续介质假设，指出可以考虑采用离散原子-连续介质耦合模型改进数值模拟结果。     

基于三重周期极小曲面的3D打印互穿相复合材料的力学性能

互穿相复合材料(Interpenetrating phase composites, IPCs)由于其各相的相互连接性，与用纤维、分散颗粒等作为增强相的传统复合材料相比，具有更好的力学性能。基于动物仿生构建的三重周期极小曲面(Triply periodic minimal surface, TPMS)超材料结构是一种规律且复杂的拓扑结构，呈现出如无应力集中、高比吸能、高比强度等优异的力学性能。随着增材制造的发展，使得制备可设计的、复杂拓扑的IPCs结构成为可能。本文通过Polyjet多材料3D打印技术制备出基于TPMS的IPCs聚合物结构，并对其力学性能进行了实验研究，该IPCs结构由增强相和基体相两相组成，其中增强相采用2种TPMS(Gyroid曲面和Schwarz P曲面，简称为G曲面和P曲面)的2种拓扑(外壳拓扑和立体拓扑)结构，增强相间的孔隙部分由较软的基质材料填充。研究结果表明，在3种增强相相对密度(25%、35%、50%)下，G曲面外壳拓扑IPCs结构相比于所研究的G曲面立体拓扑、P曲面立体拓扑和外壳拓扑的IPCs结构具有更优的力学性能和整体稳定性；由于具有高刚度、高强度以...     

Fe-Mo-Ni-Cu-石墨高温自润滑复合材料的摩擦学性能研究

采用粉末冶金工艺,在Fe-Mo-石墨自润滑复合材料的基础上,制备了添加Ni、Cu两种元素的Fe-MoNi-Cu-石墨高温自润滑复合材料,并在栓-盘式高温摩擦试验机上考察了其在室温、320和450℃下的摩擦学性能;采用金相显微镜、XRD和SEM等表征方法,分析了材料金相组织、物相成分和摩擦表面形貌.结果表明:FeMo-石墨自润滑复合材料中添加Ni和Cu元素,可以强化基体,增强材料的力学性能,改善材料的摩擦学性能.在高温摩擦过程中,Fe-Mo-Ni-Cu-石墨高温自润滑复合材料摩擦表面生成的由石墨+Cu Fe5O8+Fe3O4+Fe2.6Ni0.4O4组成的复合润滑膜是导致其具有良好高温润滑性的主要原因.     

含界面相Voronoi单元的等效弹性常数的计算

采用含界面相Voronoi单元有限元法,根据广义胡克定律,计算了在给定边界条件下,颗粒增强复合材料的等效弹性常数。建立了含多个随机分布的椭圆形夹杂及界面相的VCFEM模型,分析了夹杂体分比,界面相厚度和界面相弹性模量等因素对颗粒增强复合材料等效弹性常数的影响,并利用普通有限元方法对比验证。结果表明,当界面相弹性模量小于基体与夹杂时,材料的等效弹性模量会随着界面相厚度的增大而减小,随着夹杂体分比的增大而减小,并且界面过薄时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比的增大而增大;当界面相弹性模量大于基体或夹杂时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比和界面相厚度的增大而增大。而界面相的厚度和弹性模量对材料的等效泊松比的影响较小,材料的等效泊松比主要受夹杂体分比的影响,与其呈反比关系。     

复合材料非破坏性测试

非破坏性测试用于检验材料和结构的内在特征,了解构件原有缺陷对性能的影响,并在进行各种载荷条件下力学性能试验时观察或试验后检查构件的破坏过程,以分析和确定构件的强度、刚度、断裂、疲劳、振动等力学性能以及破坏机理,复合材料由两种以上的增强元件及基体构成,材料本身就是一种力学结构,如纤维增强复合材料,纤维是主要承力件,基      

功能梯度界面相对周期分布纤维增强复合材料反平面剪切的影响

基于复变函数理论和边界配点法,探索了功能梯度界面相在周期均匀分布纤维增强复合材料反平面剪切问题中所起的作用.由于纤维在复合材料基体中的周期分布是均匀的,将其简化成含一功能梯度界面相夹杂的方形单胞.采用分层均匀化方法,将功能梯度界面相离散成K层界面层.当K足够大时,每个界面层可视为匀质材料,同时计算得到的复合材料宏观性能趋于定值.根据单胞内的基体、界面相和夹杂的几何外形特点,分别给出复势函数的级数形式,这些复势函数在各组分的相邻界面应满足连续性条件,在单胞的外边界应满足周期性边界条件和远场加载条件,从而确定复势函数中的待定系数,进而根据平均场理论确定复合材料有效模量.主要探讨了夹杂体积分数、各组分模量、功能梯度界面相的模量渐变形式等因素对纤维增强复合材料性能的影响.结果表明:不管基体模量相对于夹杂模量是大还是小,都有对应的界面相模量渐变形式可使夹杂周围的等效应力集中系数减小;另外还发现仅当夹杂模量较大时,功能梯度界面相模量的变化方式对复合材料有效模量产生不可忽视的影响.     

增强颗粒对铝基复合材料摩擦学性能的影响

采用自制的摩擦磨损试验机考察了增强颗粒对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：在基体合金、陶瓷颗粒尺寸和体积分数相同的条件下,SiC增强铝基复合材料的摩擦磨损性能优于Al2O3增强铝基复合材料;增大颗粒尺寸或增加颗粒体积分数均使得SiC颗粒增强铝基复合材料的平均摩擦系数略有降低,耐磨性能提高;在与半金属摩擦材料配副时,颗粒增强铝基复合材料的摩擦系数与基体合金的相近,耐磨性能提高了3个数量级。     

原位TiB晶须增强钛基复合材料的磨损机制

将自蔓延和熔模精铸方法相结合,制备了原位TiB晶须增强钛基复合材料;采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜分析了复合材料的相组成和显微组织,结合磨损表面、磨屑形貌及剖面显微组织分析结果探讨了复合材料表面的磨损机制;采用销-盘式摩擦磨损试验机评价了复合材料的耐磨性能.结果表明:TiB晶须尺寸细小、长径比大、在基体中分布均匀;与基体合金相比,钛基复合材料的耐磨性能显著提高,这是由于TiB晶须具有增强作用和承载作用所致.     

碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现"笋尖"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.     

SiC与球形石墨颗粒混杂增强铝基复合材料的摩擦磨损性能研究

以6092铝合金为基体,通过粉末冶金法分别制备了球形石墨颗粒(Gr)以及SiCp和Gr混杂增强的铝基复合材料,并采用田口模型结合方差分析,对复合材料与铜合金摩擦副之间的干滑动摩擦磨损行为进行了分析研究. 结果表明:随着载荷从10 N增至20 N,3种复合材料的摩擦系数、磨损率均相应增加;随滑动速率从0.5 m/s增至1.0 m/s,15%Gr/6092Al和(5%Gr+20%SiCp)/6092Al的摩擦系数先减小后增大;而(5%Gr+10%SiC_p)/6092Al的摩擦系数呈递减趋势. 相同条件下,单一石墨颗粒增强的复合材料的磨损率大于混杂增强的复合材料的磨损率. 方差分析的结果表明:增强相百分比单独作用、增强相百分比和滑动速率相互作用以及滑动速率单独作用3个因素对磨损率和摩擦系数产生了显著的影响. 随SiC_p含量增加,材料硬度增加,SiC_p对基体起到支撑保护作用,磨损面上的磨痕变浅,分层剥落现象明显减轻,磨屑变得细小,摩擦系数更为稳定,磨损机制由剥层磨损向磨粒磨损转变.      

钢丝网增强特种混凝土的静动态试验研究

在高技术战争条件下，随着钻地武器的发展，现有防护工程材料受到严峻挑战，其发展状况是我国打赢现代高技术战争的十分重要的决定因素。研制高性能防护工程材料成为我国的一个重大事项。在了解国内外已用或在研的防护复合材料的基础上，本文研究设计出一种新型防护工程复合材料——钢丝网增强特种混凝土。以特种组分和配比的混凝土及纯水泥浆为基体材料，钢丝网、钢纤维为增强材料，设计出17种不同构造结构的复合材料。对这些材料的构件进行了大量静动态对比试验研究。试验结果说明，钢丝网增强特种混凝土构件具有最高的抗弯、抗压、抗劈拉强度，并且效费比最高，是一种具有良好应用前景的防护复合材料。     

碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现"笋尖"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.      

硅相锌基复合材料减摩抗磨性能的研究

为了改善锌铝合金在干摩擦条件下的耐磨性能，拓宽它的工程应用范围，在其中添加质量分数为１０％的Ｓｉ，同时以质量分数０．１％～０．３％的Ｐ－Ｃｕ对硅相进行变质处理，研制出硅相增强锌基复合材料，并且对这种材料的减摩抗磨性能进行了试验研究．结果表明：硅相锌基复合材料分别在干摩擦和２０＃机械油滴油润滑条件下的减摩抗磨性能良好．扫描电子显微镜观察发现，硅相锌基复合材料中的硅相经变质处理得以细化和分布均匀化，这对改善锌铝合金的综合性能具有重要作用；由于硅相的硬度远比基体的高，在滑动摩擦过程中可以起支撑作用，减少偶件与基体的直接接触而降低摩擦磨损     

MoSi2增强镍基合金复合材料的摩擦磨损性能研究

采用真空热压法制备MoSi2增强镍基合金复合材料,并考察了其在室温下同Si3N4陶瓷球配副时的摩擦磨损性能.结果表明:加入MoSi2增强相可以显著提高镍基合金复合材料的显微硬度及其摩擦磨损性能;当添加MoSi2质量分数为30%时,复合材料的显微硬度最高、磨损率最低;当MoSi2质量分数分别为20%时,复合材料的摩擦系数最小;随着MoSi2含量增加,复合材料的磨损机理逐渐由塑性变形向脆性微断裂转变,其原因在于MoSi2硬质颗粒对镍基合金基体具有明显的弥散强化效应,并能够在摩擦磨损过程中起到有效的承载作用.为了保证镍基合金复合材料的摩擦磨损性能处于最佳状态,MoSi2增强相的最佳含量应控制在30%.     

纤维加强复合材料的总体粘弹性响应

在某些纤维增强复合材料(FRC)中使用金属或高分子聚合物作为基体材料。在高温等情况下,这类材料具有明显的粘弹性特性。本文采用Riemann—Liouville形式的分数阶导数模型描述基体的粘弹性特性。通过渐近均匀化方法给出了预测FRC整体三维本构关系的解析表达式。给出了应用于基体具有Makris粘弹性关系的具体形式。以圆截面纤维正方形排列的情形为例,给出了等效模量随纤维体积比的变化曲线。结果说明,这类复合材料仍具有粘弹性特性,其整体粘弹性本构关系的弹性部分综合了纤维弹性和基体弹性的贡献,粘性部分来自基体粘性的贡献,复合材料具有和基体相同的粘性系数和分数阶。为分析微结构特征对整体特性的贡献,须求解两类局部问题。可以看出,在整体的等效模量中包含了局部变形的贡献,局部变形增加了复合材料的耦合刚度。     

多壁碳纳米管-高聚物纳米复合材料的抗蠕变性能

通过双螺杆挤出机和模压成型设备制备了两种不同长径比的多壁碳纳米管(MWNT)增强的聚丙烯(PP)纳米复合材料.实验表明,通过添加1%体积含量的MWNT,聚丙烯的抗蠕变性能得到很大提高,即长时间加载后,基体的蠕变变形量和蠕变率均显著降低.同时,在特定载荷下,纳米复合材料的蠕变寿命比纯基体提高了10倍.几种载荷传递机理导致了材料抗蠕变性能的增强:(1)碳纳米管和基体之间较好的界面性能,(2)碳纳米管限制了基体内无定型分子链的活动性,以及(3)碳纳米管的较高的长径比.差分热扫描(DSC)的结果显示了材料蠕变前后结晶的变化和载荷传递机理分析是一致的.这些实验结果显示,在不增加成本的基础上可以大大提高抗蠕变的聚合物纳米复合材料的工程应用.