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。     

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。     

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复合材料细观损伤机制及氧化对其影响的研究

为了观察分析C/SiC陶瓷基复合材料的细观损伤机制,利用划片切割机去除表面涂层,采用扫描电镜和配套的原位加载装置探究其细观损伤机理,以此结合宏观现象对其作出解释。本文以四点弯实验为基础,利用搭建的高温加热系统在不同高温环境下氧化材料。随着氧化的发生,得到C/SiC陶瓷基复合材料细观形貌以及破坏机制的变化规律。随着氧化程度的加强,发现材料基体以及纤维出现不同程度的烧蚀,界面层遭到破坏,弯曲强度逐渐降低。同时纤维的拔出、裂纹的萌生以及扩展方式发生了改变,从而导致不同破坏断口的出现。     

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．     

泡沫铝-复合泡沫冲击韧度及黏弹性分析

泡沫铝-复合泡沫互穿相复合材料是一种新型的结构功能一体化材料,在机械、交通、建筑等领域具有重要的应用前景。本文制备了纯泡沫铝及空心玻璃微珠四种体积分数的泡沫铝-复合泡沫试件,通过摆锤冲击实验研究了其冲击韧度,讨论了其断口形貌与结构性能的关系,通过单轴压缩的应力松弛实验研究其黏弹性性能。研究表明：空心玻璃微珠体积分数为10%的泡沫铝-复合泡沫试件的冲击韧度最大,随后其冲击韧度随空心玻璃微珠体积分数的增加而减小;当空心玻璃微珠体积分数较小时,泡沫铝的结构形貌决定了冲击断口的形貌,但当其体积分数达到30%时,空心玻璃微珠的破坏是形成断口形貌的主要原因;复合材料的黏弹性性能随着玻璃微珠体积分数的增加而增大。     

JH-2模型及其在Al2O3陶瓷低速撞击数值模拟中的应用

利用现有文献数据以及实验与数值模拟结合的方法得到了Al2O3陶瓷的Johnson-HolmquistⅡ (JH2)本构模型参数,并且基于这种含损伤的动态本构模型,采用LS-DYNA 显式有限元软件对Al2O3陶瓷 在低速撞击下的破碎过程进行了数值模拟,再现了试件的损伤演化与动态破碎过程。结果表明,Al2O3陶瓷 在冲击载荷作用下,主要呈轴向劈裂状破坏;随着输入压缩波加载时间的减小,试件的破碎程度加剧;利用 JH-2模型对Al2O3陶瓷在SHPB实验中的动态损伤演化过程的模拟结果与实验回收试件的破碎模式基本一 致,从而验证了JH-2模型在模拟低速撞击下陶瓷动态破碎过程的有效性和可行性。     

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.     

无压浸渗SiC/Al复合材料的摩擦磨损性能研究

采用无压浸渗法制备不同碳化硅粒度和体积分数的SiC/Al复合材料,利用销-盘摩擦磨损试验机考察了碳化硅的粒度和体积分数等对SiC/Al复合材料干摩擦磨损性能的影响,采用扫描电子显微镜观察磨损表面形貌并分析其磨损机理.结果表明,SiC/Al复合材料的磨损率随碳化硅体积分数增加而降低.与灰铸铁配副时,材料的摩擦系数与磨损率明显依赖于碳化硅粒度,二者均随碳化硅粒度增加而降低.复合材料的磨损机制以碳化硅颗粒的碎裂、脱落和表面犁沟为主要特征.     

二维平纹编织C/SiC复合材料的超高速碰撞实验

利用电炮加载聚酯薄膜飞片分别对二维平纹编织C/SiC复合材料(2D-C/SiC)和LY12硬铝材料 在3.4~9.5km/s速度下进行碰撞实验。利用光纤位移干涉仪测定了靶材的自由面速度,并对高速撞击碎片 颗粒进行了收集,采用超声波扫描系统无损检测等方法对2D-C/SiC材料在超高速冲击载荷作用下的力学响 应进行了检测。结果表明,随着冲击能量的增大,2D-C/SiC材料板自由面速度逐渐升高,损伤局部且面积逐 渐增大,碎片云团作用区域逐渐变大。与铝板相比,2D-C/SiC材料碎片云团整体能量较小、作用区域较大、能 量面密度较低,是飞行器防护结构设计中一种比较理想的防护材料。     

氧化铝纤维含量对Al2O3f＋Cf／ZL109混杂复合材料耐磨性能的影响

利用挤压铸造法制备了Al2O3f Cf/ZL09短纤维混杂金属基复合材料，并探讨了炭纤维体积分数为4％时，Al2O3纤维含量变化对该复合材料耐磨性能的影响。结果表明：随着Al2O3体积分数增加，复合材料的摩擦系数逐渐增大，复合材料从轻微磨损到急剧磨损的临界转变载荷大幅度提高，并随Al2O3含量的增加而逐渐增大；在临界载荷以下，影响复合材料磨损率的Al2O3含量临界值为12％，当Al2O3含量低于临界值时复合材料磨损表面无明显剥落，而当Al2O3含量超过临界值后，复合材料磨损表面存在大量的剥落坑，磨损率增大。     

A failure criterion for fiber reinforced polymer composites under combined compression–torsion loading

A fracture mechanics based failure criterion for unidirectional composites under combined loading has been developed. The predictions from this criterion have been compared with experimental data obtained from combined compression–torsion loading of glass and carbon fiber reinforced polymer composites of 50% fiber volume fraction. The specimens were loaded under rotation control and displacement control in a proportional manner. Comparison of the Budiansky–Fleck kinking model, specialized to a solid circular cylinder, and the new failure model against experimental data suggests that the Budiansky–Fleck model predictions do not capture the variation of compressive strength as a function of shear stress for glass fiber composites. This is because these composites fail predominantly by compressive splitting. The Budiansky–Fleck model predictions are appropriate for composites that fail by compressive kinking. The new model predictions capture the experimental results for glass composites where the compression strength is initially unaffected by shear stress but undergoes a drastic reduction when a critical value of shear stress is reached.     

钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响

通过实验研究了活性粉末混凝土的基本力学性能(抗压强度、劈拉强度和抗折强度),分析了钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响,拟合得到了抗折强度与劈拉强度之间的关系表达式。在实验分析的基础上,建立了不同钢纤维体积含量活性粉末混凝土受压应力-应变全曲线的数学表达式。研究结果表明：钢纤维体积含量在1.0%～3.5% 之间时,活性粉末混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗折强度均随着钢纤维掺量的增加而增大;当钢纤维体积含量超过3.5% 后,活性粉末混凝土抗压强度下降,劈拉强度略有提高,而抗折强度仍有明显的提高。     

玻璃纤维增强型复合材料圆筒高温高压动态冲击断口形貌分析

为了探究埋头弹火炮所用的玻璃纤维增强型(GFR)复合材料药筒在高温高压瞬态冲击条件下的结构强度,分别开展了圆筒静态整体拉伸和动态高温高压冲击实验,从拉伸/瞬态超高压破坏试样断口部分截取断口样品,在扫描电子显微镜下观察断口形貌,得到GFR复合材料在两种不同受力情况下的失效模式。结果表明:室温整体单轴拉伸断裂时,GFR复合材料的断面与轴线夹角接近45°, 失效模式为环氧树脂基体破坏和纤维拔出;在高压瞬态冲击作用下,试样主要失效模式为纤维的脆性断裂,同时由于火药燃烧产生的高温燃气使部分环氧树脂基体碳化,纤维与基体界面结合力降低,少数纤维熔融或软化附着在断口上,部分软化的纤维因瞬态超高压被拉细。     

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。     

玄武岩纤维高延性水泥基复合材料的动态力学性能

利用玄武岩纤维和水泥基材料，通过一定配比融合制成了在静态拉伸试验中呈现多缝开裂、应变硬化、极限拉伸应变0.5%以上的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs)。用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩和动态劈裂试验。结果表明:(1)在压、拉两种应力状态下,玄武岩纤维对水泥基复合材料的静态强度、动态强度均有增强，且高应变率下玄武岩纤维对抗压强度动态增幅较小，对劈裂强度动态增幅较大；(2) BF-ECC的抗压强度和劈裂强度均随应变率升高而显著提高，两者均可以采用动态增强因子(dynamic increase factor, DIF)反映动态强度的增幅，但劈裂强度的应变率敏感性强于抗压强度；(3)依据试验得到的普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP方程(2010)不适用于BF-ECCs。     

Effects of stress ratio on fatigue life of carbon-carbon composites

Cyclic loading causes cumulative damage and therefore degrades the inelastic properties of composite materials. Present work investigates the damage development under tension-tension fatique, and the effect of stress ratio on the fatigue life of carbon-carbon (C/C) composites at room temperature at a frequency of 3 Hz. The fatigue damage has been identified through ultrasonic non-destructive technique, optical microscopy and scanning electron microscopy.From the S-N curve it has been observed that the endurance strength of C/C composite is quite high; approximately 85% of the ultimate tensile strength. The fatigue life of C/C composites has also been observed to increase with the stress ratio. Matrix cracks, filament splitting within the yarns, complete delamination and the nucleation of the interfacial flaws have been identified as the failure mechanisms during the fatigue tests. On the other hand, the failure modes during the static test were found to be complete fiber fracture accompanied by partial delamination. A statistical fatigue life distribution for carbon-carbon composites has also been presented in this paper.     

混凝土冲击破坏动态力学及能量特性分析

动强度和能量耗散规律是研究混凝土动力特性的主要内容。为探究混凝土在冲击荷载作用下的动态力学、变形以及能量演化特征,利用直径为100 mm的霍普金森杆装置对骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样,分别进行了冲击速度为5、6、7 m/s的冲击压缩试验。探讨了冲击速度和骨料率对试样变形、动强度以及分形维数的影响,建立了动强度关于冲击速度和骨料率的表达式,并对试样吸收能和裂纹表面能之间的关系进行了对比分析。结果表明:混凝土试样破坏时出现了变形滞后现象,破坏形式主要以劈裂拉伸破坏为主;动强度随冲击速度、骨料率的增大而增大,用所建动强度公式可以较好地预估混凝土动强度;混凝土破坏碎块分形维数、吸收能和裂纹表面能均随冲击速度的增大而增大,随骨料率的增大而减小,且吸收能始终高于裂纹表面能,当骨料率为37%时,吸收能转化率最高,约91%转化为裂纹表面能。     

Al2O3纤维及炭纤维增强ZL109混杂复合材料磨粒磨损行为

利用挤压铸造法制备了Al2O3纤维及炭纤维增强ZL109混杂复合材料(Al2O3 Cf／ZL109)，考察了该混杂复合材料的磨粒磨损行为．结果表明：就砂纸粒度对复合材料抗磨粒磨损性能的影响而言，存在砂纸粒度的临界区域；Al2O3纤维有利于提高混杂复合材料的抗磨粒磨损性能，而炭纤维不利于提高复合材料的抗磨粒磨损性能，其中(12％Al2O3f 4％Cf)／ZL109混杂复合材料的抗磨粒磨损性能最佳．     

不同尺寸砂岩动态力学性质和应力平衡性的试验研究

采用大直径分离式霍普金森压杆系统获得的不同尺寸试样的实验冲击动态力学参数有差异,因此在直径100 mm压杆上进行了3种直径（50、75和100 mm）和5种长径比（0.4、0.5、0.6、0.8和1.0）的砂岩试样冲击试验,分析了不同尺寸试样应力-应变曲线和应变率曲线随尺寸的变化,提出了用于比较波形对齐重合度的波形叠加系数,并与应力平衡因子共同构建了动态应力平衡性研究体系,由此确定大直径霍普金森压杆试验的试样建议尺寸。同时,利用高速摄影机监测试样的动态破坏状况。结果表明:当长径比相同时,直径75与100 mm岩石试样的动态抗压强度测试值相近,直径50 mm试样具有更明显的长度效应;随着试样直径的增大,应变率曲线从单峰变为双峰;小尺寸试样更易发生轴向劈裂破坏,大尺寸试样受内部应力波叠加影响产生了较大的拉应力,易发生层裂拉伸和轴向劈裂的复合型破坏;对直径75 mm且长径比0.3~0.4的试样,波形对齐后重合度较高,在起始破坏前拥有充足的应力平衡时间,应变率加载效果较好。获得了砂岩试样冲击压缩试验的尺寸效应,可为大直径岩石试样的尺寸选择提供参考。