纤维─基体界面剪切强度与断裂韧性的表征和测定

根据单向复合材料纤维分布、剪切变形与裂纹扩展的细观分析,提出纤维一基体界面剪切强度和断裂韧性的简易细观表征与测定方法．     

纤维－基体界面剪切强度与断裂韧性的表征和测定

根据单向复合材料纤维分布、剪切变形与裂纹扩展的细观分析,提出纤维－基体界面剪切强度和断裂韧性的简易细观表征与测定方法.     

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.      

计及界面损伤的复合材料正交(混杂)叠层板的应力集中分析

对正交(混杂)叠层复合材料最终拉伸破坏过程中的细观应力集中问题,提出了一种修正的剪滞分析模型;研究了叠层中由于90°层的基体开裂、层间界面破坏、0°层中部分纤维断裂及纤维/基体界面损伤相互作用所导致的细观应力重新分布,获得了相应的应力集中因子和界面破坏区长度与界面剪切强度的定量关系。本文结果为进一步研究正交叠层复合材料的细观破坏机理、最终拉伸强度及协同效应等提供了重要的理论依据。     

纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析

研究了纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析模型。建立了微、细观单胞,给出了纺织复合材料平均弹性常数的逐级分析方法,着重研究了由宏观结构、到细观纤维束、再到微观纤维三个尺度耦合的应力分析方案。对于常用的板壳状纺织复合材料结构,在面内载荷下,假设每层细观单胞的平均面内应变是一致的,在弯曲、横向剪切及扭曲等非面内载荷下,在内力等效条件下将沿厚度方向连续分布的宏观应力简化为阶梯状分布,忽略了每层细观单胞范围内宏观应力沿厚度方向的梯度变化,由此利用细观单胞模型实现宏观应力与细观应力之间的传递,再利用微观单胞可得到纤维尺度的微观应力。最后以一种三维机织复合材料为例,用上述多尺度耦合的模型逐级分析了材料的平均弹性常数,并沿相反方向,由宏观结构分析逐级计算出纤维束尺度和纤维尺度的细、微观应力的局部波动。     

角铺设复合材料层合板内部脱层破坏的研究

在面内剪切外载作用下，角铺设复合材料层板板最终的宏观破坏模式是脱层，然而从细观角度来看，宏观的脱层破坏可以对应不同的细观损伤过程，以破坏面的形貌为例，有些破坏面的形貌为例，有些破坏面主要由裸露的纤维和纤维迹组成，而有些破坏面则主要由矩齿形基体材料组成。不同的过程对应着不同的力学性能、诸如脱层强度、韧性等、本文从细观角度研究了脱层破坏过程，并就铺设角、界面强度、基体开裂强度对该过程的影响进行了讨论。     

纤维增强脆性复合材料细观力学若干进展

纤维复合材料本身具有强烈的结构特性,是一种多相体材料.其力学性能及损伤破坏规律不仅取决于各组分材料性能,同时也取决于细观结构特征,采用细观力学分析建立材料宏观力学性能与材料各组分性能以及细观结构参数之间的内在联系是材料科学发展的新趋势.本文结合作者的研究课题综述了纤维增强脆性材料(主要是纤维混凝土)细观机理的部分研究进展,并对这一学科的发展趋势进行了简要地评价与展望.      

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。     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性数值分析

基于考虑纤维束相互挤压的八边形纤维束截面单胞模型,引入周期性位移边界条件,采用 细观非线性有限元方法,建立了三维四向编织复合材料的渐进损伤拉伸强度模型. 该模型考 虑了增强体纤维束纵向非线性剪切应力-应变关系,采用Hashin型损伤失效准则定义了纤维 束的典型损伤类型,并根据纤维束和纯基体相应损伤类型所造成的材料性能退化,模拟了不 同编织角试件各类损伤产生、扩展及材料最终破坏的整个过程. 模型数值结果与实验数据吻 合较好,证明了该模型的合理有效性. 探讨了组分材料剪切非线性、损伤对材料宏观非线性 本构行为的影响,结果表明：随着编织角增大,纤维束剪切非线性效应和累积损伤对材料非 线性力学行为的影响明显增强.     

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。     

1-3型压电复合材料及其研究进展

1-3型压电智能复合材料是由一维连通的压电相平行排列于三维连通的聚合物中而形成的两相压电复合材料.简述了1-3型压电智能复合材料形成及其材料结构构成变化的发展历程,并从理论分析、参数辨识、数值计算和试验方法四方面阐述了宏观等效特征参数的研究状况.在此基础上对现有的制备工艺技术的优缺点进行了比较,对声学、医学、控制、航空航天等已应用和可能应用的领域的现状和发展趋势进行了回顾和展望,最后建议了1-3型压电智能复合材料今后几个较为重要的研究方向.      

含夹杂和微裂纹复合材料的损伤演化和分析

利用细观力学的Ｅｓｈｅｌｂｙ和Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ理论，考虑纤维和微裂纹之间的相互作用，研究了定向分布微裂纹的演化规律及其对材料力学性能的影响，分析了纤维体积份数，弹性系数、微裂纹密度，纤维不同取向与基体开裂强度之间的变化关系，并给出了许多有意义的结论。     

FRP片材在土建修复加固工程中应用的力学问题

纤维增强复合材料(FRP)片材由于其优异的力学性能和施工的便捷性而备受国内外土木建筑领域的高度关注,并得到了迅速的推广应用.本文结合国内外的研究现状及本课题组的研究工作,对FRP片材(纤维布、纤维板和纤维薄板)在土木建筑修复加固工程中应用的主要力学问题-FRP片材加固钢筋混凝土(RC)构件的静力学性能、疲劳性能、界面的力学性能、以及构件的耐久性等进行综述和讨论,并试图指出今后有关FRP片材修复加固RC构件力学性能的研究方向.     

碳纤维复合材料金字塔点阵结构制备工艺及力学性能研究

本文针对碳纤维复合材料点阵结构,从结构设计、制备工艺、平压性能、剪切性能等方面对其进行试验表征及理论模型研究.设计四种成型碳纤维复合材料金字塔点阵结构的思想,并采用一种新的制备工艺即预浸料二次成型工艺制备试样,试验结果表明,该工艺能最大程度发挥纤维增强潜力.通过实验揭示在平压载荷下杆件屈曲、杆件断裂、杆件分层脱胶失效机理,在剪切载荷下杆件屈曲、杆件分层、杆件脱胶失效机理,基于结构力学基础原理,建立相应理论模型,经过修正之后的理论模型均能较好预报典型载荷下力学性能.本文研究发现碳纤维复合材料金字塔点阵结构具有密度低、比强度大、比刚度高等优点,且芯子中具有大量空间,可以制备轻质多功能结构.     

SMA短纤维复合材料的热胀系数和相变应变系数

基于Eshelby的等效夹杂模型、Mori和Tanaka的场平均法,考虑到形状记忆合金(SMA)的强物理非线性,发展了增量型的等效夹杂模型(Incremental Equivalent Inclusion Model).讨论了SMA短纤维增强的铝基复合材料的热胀系数和相变应变系数.特别研究了SMA短纤维复合材料纤维几何尺寸和体积分数等参数对SMA复合材料的热胀系数和相变应变系数的影响.这些工作对于指导材料设计和了解SMA复合材料热机械特性是非常有意义的.     

ELECTRO-THERMAL EFFECTS AND DEFORMATION RESPONSE OF CARBON FIBER MAT CEMENT BEAMS

A carbon fiber mat is a sheet composed of intercrossing short carbon fibers, which has more stable and lower electrical resistivity compared with dispersed short carbon fiber mixed in cement. Thereby carbon fiber mat cement could exhibit obvious electro-thermal effect. When electrified, the temperature of composite structures made up of cement mortar and carbon fiber mat will rise rapidly. If the temperature field is not uniform, temperature difference will cause structures to deform, which can be used to adjust the deformation of structures. The temperature field and deformation response driven by the electro-thermal effects of a type of carbon fiber mat cement beams are studied. Firstly, the temperature and deformation responses are studied using theories of thermal conduction and elasticity. Secondly, experimental results are given to verify the theoretical solution. These two parts lay the foundation for temperature and deformation adjustment.     

单向纤维增强复合材料中纤维断裂及其发展

纤维增强复合材料中某根纤维断裂后，断口作为裂纹向何处发展？它可以向纤维和基体的界面发展形成界面脱粘，也可向基体发展，造成基体开展，从而殃及邻近纤维。另外，一根纤维的断裂会在其邻近纤维中造成应力集中。本文采取轴对称边界元法对这些问题进行仔细研究。本文假定纤维在基体中成六角形分布，即每根纤维周围有六根纤维，均匀地分布在以该纤维为中心的圆周上。     

聚丙烯纤维和水泥对粘性土强度的影响及机理研究

选取聚丙烯纤维和水泥作为加固材料,在室内试验的基础上,研究了单独的纤维和水泥对粘性土强度的影响及其的综合作用,分析了它们的作用机理。试验中,3种不同百分比(0.05%,0.15%和0.25%素土重)的纤维和两种不同百分比的(5%和8%素土重)水泥分别掺入到粘土试样中,配制了12组试样,进行了无侧限抗压试验。试验结果表明,纤维和水泥均能够提高土体的强度,纤维的加入改善了水泥土样的脆性破坏模式;纤维水泥土样的强度远远高于相同掺量下的纯纤维土和纯水泥的强度,甚至高于它们的强度之和。运用扫描电镜(SEM)从微观层次上分析了纤维和水泥加固粘性土的力学机理,发现纤维表面与土介质之间的粘结力和摩擦力对加固效果有直接影响。     

埋入混凝土的光纤传感器包层力学特性研究

本文用解析解探索光纤传感器埋入混凝土中其包层的特性及重要性。针对外荷载平行与光纤方向施加于混凝土构件时，其包层的材料特性和厚度变化而引起其内部应力分布特性作了一些研究。从解的分析可以看出，在埋入光纤的附近横截面应力集中很大程度上取决于包层的厚度及材料性质。对于给定的混凝土材料存在包层材料和厚度相结合的优化问题，选择某一优化目标，可能减小或消除其应力集中，而这对于光纤传感器在整个运行期间是至关重要。