Kevlar纤维增强复合材料动态压缩力学性能实验研究

通过实验较系统地研究了Kevlar纤维增强复合材料的动态压缩力学性能,实验结果表明,在冲击压缩载荷作用下Kevlar纤维增强复合材料有明显的损伤软化现象和应变率效应,针对Kevlar纤维增强复合材料动态应力应变实验曲线,提出了含损伤的率相关动态本构方程,由于所引入的损伤最反映了Kevlar纤维增强复合材料内部基体开裂、脱层、纤维断裂等多种破坏模式的总体效果,因此所提出的本构方程形式相对说来比较简便并易于嵌入目前有关冲击力学的有限元或有限差分程序,有一定的工程应用价值。     

准三维针刺C_f/SiC复合材料室温层向动态压缩力学行为的实验研究

为了研究应变率对准三维针刺碳纤维增韧的碳化硅复合材料(Cf/SiC)层向压缩力学性能的影响,本文利用分离式Hopkinson压杆装置对三维针刺Cf/SiC复合材料进行了应变率为10-4至6.5×103s-1的单轴压缩力学性能测试。实验结果表明,由于材料缺陷,其动态压缩强度分布遵循Weibull分布。破坏时,材料并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度后经历了较大的伪塑性变形才最终破坏。这表明三维针刺Cf/SiC复合材料沿厚度方向针刺的碳纤维有助于提高材料的韧性。同时,材料的压缩强度随应变率的升高显著增大,并与对数应变率近似成线性关系。借助光学显微镜和扫描电镜对压缩断口的观察表明:材料的失效模式随着应变率变化而发生改变。在准静态下,材料主要表现为剪切和分层破坏,而在高应变率下,则主要表现为劈裂。     

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。     

碳纤维增强树脂基复合材料压缩失效机理研究

为分析基体性质和纤维铺设方式对碳纤维树脂基复合材料(CFRP)压缩性能的影响,设计两种基体（耐高温环氧树脂基体和PA6 基体） 和两种碳纤维铺设方式[[45/0/-45/90]s和[45/-45]2s],共4 类盒型碳纤维试件．采用轴向压缩实验,研究低应变速率下碳纤维复合材料的极限载荷、压缩量和刚度等力学性能．研究表明试件的失效形式主要由基体性质决定,损伤区域及裂纹方向主要由碳纤维铺设方式决定．利用X射线显微镜(XRM)对试件典型的损伤区域进行三维扫描,并对扫描图像进行重构与渲染,获得破坏区域的内部损伤细节．根据损伤扫描结果,得到材料内部的损伤类型及破坏程度．归纳所获得的损伤测试特征,分析不同类型试件压缩时的损伤规律与失效机理．     

沙漠砂混凝土动态力学性能实验研究

采用直锥变截面式Φ74mm分离式霍普金森压杆,对不同替代率沙漠砂混凝土进行冲击压缩实验,得到了不同替代率沙漠砂混凝土在不同应变率下的应力应变曲线。分析应变率对沙漠砂混凝土峰值应力、峰值应变和比能量影响,揭示了沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土峰值应力影响规律,并对沙漠砂混凝土动态破坏模式进行研究。研究表明:随着应变率增加,沙漠砂混凝土峰值应力、强度增强因子、比能量和峰值应变逐渐增大;在同一应变率下,随着替代率增加,沙漠砂混凝土峰值应力逐渐减小。本文研究结果可为沙漠砂在工程中的应用提供指导和借鉴。     

冲击载荷下圆环纵向压缩力学行为研究

选用外径、内径和高度三者比值为6∶3∶2的铝合金圆环试件作为研究对象,在粗磨、细磨和润滑三种端面粗糙条件下,利用SHPB实验方法研究了其纵向动态压缩行为。实验结果表明:随着端面摩擦系数的增大,对应的屈服强度和硬化强度增大明显。同时,圆环纵向压缩应力应变曲线有一个明显的应力下降段。其原因是圆环在塑性压缩过程从内而外发生了动态塑性失稳。由于端面应力不均匀和压缩过程端面摩擦系数不均匀变化,试件前后端面的压缩变形明显不一致。数值模拟分析了不同表面粗糙情况下的圆环纵向压缩过程,得到了和实验相类似的现象。     

全沙漠砂纤维水泥基复合材料单轴受压尺寸效应试验研究

为探究新疆地区全沙漠砂制备水泥基复合材料ECC(engineered cementitious composite)的可行性,并研究全沙漠砂ECC的单轴受压尺寸效应,在对沙漠砂、石英砂和河砂三种骨料制备的ECC宏观力学性能及微观结构分析比较的基础上,重点对5组不同尺寸的沙漠砂ECC试件进行了单轴压缩性能试验。结果表明：在相同的材料配比下,完全使用沙漠砂制备的ECC,其抗压、抗拉以及抗折强度均与其余两种砂制备的ECC相近,沙漠砂ECC中纤维表面较少的附着物和较为完整的形貌对其发挥桥联作用有益;全沙漠砂ECC单轴受压性能具有尺寸效应;提出的高厚比与抗压强度的关系表达式、不同高厚比的应力-应变全曲线模型均与试验结果吻合较好。     

空心微珠/Al复合材料的动态压缩力学性能和吸能特性

利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）系统对空心微珠体积分数为0.4的空心微珠/1199Al复合泡沫在1 700~2 900s^-1应变率范围内的动态压缩力学性能、吸能性能进行了研究,还利用SEM扫描电镜对压缩试件断口进行微观组织分析,与准静态条件下材料的压缩力学性能及压缩变形机制进行了对比。结果表明,空心微珠/1199Al复合泡沫是一种应变率敏感材料,与准静态结果相比,在高应变率下复合材料的流动应力和塑性应变有明显的增大,应变率硬化效应对复合材料的流动应力的影响明显大于应变硬化的影响。复合材料的准静态和动态压缩变形机制存在一定差异,动态载荷作用下,空心微珠/1199Al复合泡沫内部空心微珠的压缩和基体材料的充填同时发生,组分之间具有良好的协调变形能力。

     

CF/PTFE纤维混编织物增强环氧复合材料干摩擦特性

采用碳纤维与聚四氟乙烯纤维(CF/PTFE)混编织物增强,制备了环氧树脂基自润滑复合材料,研究了钢背衬复合材料与45钢在环-环端面干摩擦状态下的摩擦学特性,考查了纤维织物、摩擦热、载荷、速度对材料摩擦磨损性能的影响,用红外热像仪、热电偶及风冷方式对摩擦副温度进行监控,用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损面进行了观察与能谱分析.结果表明:与碳织物相比,混编纤维织物大大改善了复合材料的摩擦学性能,改善效果极大依赖于摩擦温度、载荷和速度参数.PTFE纤维磨损后在树脂基体及偶件表面形成减摩型转移膜层,材料表现为疲劳磨损特征.摩擦高温使复合材料摩擦学特性改变,黏结磨损加剧,偶件钢环表面出现氧化磨损,树脂基体塑性流动,摩擦力增大.混编纤维的排布方式影响复合材料的摩擦磨损性能,摩擦面上大量破碎的碳纤维易使偶件表面转移膜受到破坏,复合材料转变为以磨粒磨损为主,减摩主要源于磨屑中的润滑组分.     

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。

     

钙质砂的准一维应变压缩试验研究

利用?100 mm的Hopkinson压杆研究了不同预压力条件下,受侧限约束的钙质砂在500～800 s^-1应变率范围、0～200 MPa压力范围内的动态力学特性,并利用HUT106D万能材料试验机研究了相同条件钙质砂在2×10^-3 s^-1应变率、0～120 MPa压力范围内的静态力学特性。研究发现,当再次加载超过一定值后,预压力对钙质砂力学特性的影响不大;Tait物态方程可以描述钙质砂的静态容变关系及高压下的动态容变关系;钙质砂的体积压缩过程存在应变率效应。     

含水率对非饱和钙质砂动力特性影响的试验研究

使用经过系统标定的霍普金森压杆试验装置对不同含水率钙质砂进行了在准一维应变条件下的动态压缩试验,试样的平均应变率为209～1 137 s⁻¹。试验结果表明：半导体应变片灵敏系数和压杆弥散关系的标定对试验结果的准确性具有重要影响;当钙质砂应变小于0.025时潮湿试样的切向模量高于干燥试样,而在应变大于0.025时则相反;潮湿钙质砂的切线模量随含水率的增加先减后增。通过分析非饱和钙质砂在锁变后其轴向应力应变曲线及侧压力系数的变化规律,提出了非饱和钙质砂锁变现象的模型。

     

钙质砂的SHPB实验技术及其动态力学性能

开展了11组南海钙质砂和福建石英砂的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验,试样相对密实度为90%,厚度分别为10、30和50 mm,得到了冲击荷载下钙质砂和石英砂的应变率时程曲线、应变时程曲线和应力应变关系。实验结果表明：通过严格装样技术可以减小实验设备产生的误差,改变试样厚度、子弹长度、整形器等是实现钙质砂应力平衡和恒应变率的主要手段。在相同的密实度和加载条件下,钙质砂的体积模量和剪切模量约为石英砂的10%,压缩强度和抗剪强度约为石英砂的30%。冲击荷载作用下钙质砂的动态力学性能与石英砂存在较大的差异,因此不能将已有石英砂的研究结果直接用于钙质砂。

     

纵向冲击压缩下LY12铝合金圆环的塑性失稳

通过对铝合金圆环的纵向冲击压缩研究发现,一定条件下在试件的宏观塑性硬化阶段会出现明显的应力降过程。为揭示此应力降的发生机制,对润滑、细磨、粗磨3种端面粗糙条件下,外径、内径和高度比值为6:3:2的LY12铝合金圆环进行系统的Hopkinson压杆纵向冲击实验。结果表明:应力降主要发生在较大的应变和较高的应变率条件。进一步对实验样品的金相观察发现:应力降产生的内在机制为绝热剪切带的形成和发展,此现象是一种动态塑性失稳的过程。以上结果为金属材料在冲击条件下绝热剪切带产生的研究提供了参考。     

活性粉末混凝土在多次冲击荷载下的力学行为

采用60％的超细工业废渣取代水泥制备了抗压强度达200 MPa的生态型活性粉末混凝土（RPC）,采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的RPC材料进行了4种方式的多次冲击压缩实验。定义了材料多次冲击压缩标准化强度,揭示了冲击次数、冲击方式、纤维掺量对材料抗多次冲击性能的影响规律。研究表明随着纤维掺量的提高,材料抗多次冲击的能力不断提高。随着冲击次数的增加,材料的损伤程度不断增大,标准化强度不断下降。随着冲击方式的改变,材料首次冲击的损伤增加,第2次和第3次冲击下材料峰值应力下降速度提高。     

晶粒度对纯铝动态力学性能的影响

通过热处理方式制备了3种不同晶粒度的纯铝样品。利用分离式霍普金森压杆加载装置测量了3种纯铝在应变率102～104 s-1范围内的应力应变曲线。实验曲线表明,纯铝的屈服应力和流动应力随晶粒度的增大而减小;根据实验数据拟合了纯铝在动态下的Hall-Petch公式。同时采用一级轻气炮对3种纯铝进行了层裂实验,结果表明晶粒度对纯铝的层裂特性几乎没有影响。     

侧限压缩下干燥砂的动态力学性能

通过添加波形整形器的分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了侧限条件下干燥砂在不同应变率和 不同预压时的动态压缩力学性能,并利用MTS810材料实验系统,研究了干燥砂的准静态压缩应力应变曲 线。实验采用的材料为硅基细颗粒干燥砂,粒径分布范围为150~245m,自然堆积状态的密度为 1.40g/cm3。研究发现,应变率对干燥砂压缩过程影响不大,而不同的预压对实验结果影响显著。     

粗集料对超高性能水泥基材料动态力学性能的影响

采用大掺量超细工业废渣取代水泥、最大粒径为2.5 mm的天然砂取代粒径为600 m的磨细石英砂,并掺加了最大粒径为10 mm的高弹高强粗集料,制备出抗压强度达200 MPa的超高性能水泥基复合材料。并采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维掺量的钢纤维增强超高性能水泥基复合材料（ultra-high performance steel fiber reinforced cementitious composites, UHPSFRCC）试件进行了高速冲击压缩实验,研究了应变率和纤维掺量对该材料抗冲击性能的影响规律及粗集料发挥的作用。结果表明,UHPSFRCC的抗冲击能力随纤维掺量的增加而增强;动态强度随应变率的提高相应地增大;动态性能因掺入用作粗集料的玄武岩碎石而得到了相应的改善。还分析了超高性能水泥基复合材料具有高动态性能的机理。