单纤维细丝微力学性能实验研究

使用数字标记点识别方法分别对T300碳纤维和Kevlar29芳纶纤维单丝进行了拉伸实验测试,给出了单纤维细丝的拉伸性能参数。其中T300碳纤维单丝的直径在 7μm左右,比Kev lar29芳纶纤维的直径 (约 12μm左右 )要小;T300碳纤维的拉伸模量为 230GPa左右,远大于Kevlar29芳纶纤维的拉伸模量(约 80GPa);它们的拉伸强度相当,都在 2. 5GPa左右;而T300碳纤维的断裂伸长率在 1. 0%左右,小于Kevlar29芳纶纤维的 3. 0%。使用扫描电子显微镜(SEM)对纤维单丝断裂前后的结构进行了观察,这些不同的微观结构决定了纤维单丝拉伸性能的差异。     

微米铜丝的低温力学性能测试

针对纤维材料变温环境力学性能测试的需要,在华中科技大学研制的纤维材料试验机的基础上引入了温控装置,从而实现纤维材料在高低温环境下的力学性能测试。采用该装置对不同直径微米铜丝在不同温度、不同拉伸速率条件下的力学性能开展实验研究,测试结果表明弹性模量和抗拉强度随温度的降低而线性增加,屈服强度的变化不太明显。另外,低温环境下微米铜丝的力学性能表现出与其直径相关的尺度效应,而这一现象在常温下一直没有观测到。最后,还研究了拉伸速率对微米铜丝的力学性能影响,结果表明,在现有装置的许用范围之内,拉伸速率对其力学性能的影响不大。     

铜合金微塑性成形力学性能及其本构关系

对不同晶粒大小、不同特征尺寸的H62黄铜箔进行微拉伸实验,分析试样晶粒大小和特征尺寸对材料变形行为的影响.随着晶粒尺寸的减小,试样拉伸屈服应力逐渐增大,晶粒尺寸对屈服应力的影响满足Hall-Petch细晶强化关系;屈服强度随厚度的减小先减弱而后增强,随宽度的减小而增强;晶体塑性理论、表面层模型可以解释延伸率、抗拉强度随比表面积的增大而减小的现象.在实验数据的基础上通过修正双线性模型建立H62黄铜箔微塑性成形本构模型.     

Kevlar29纱线动态拉伸力学性能与本构方程

为了能够清晰地表征芳纶纱线在不同应变率下的力学行为,进行了Kevlar29纱线的准静态和动态拉伸试验,结合分离式霍普金森拉杆理论和运动目标追踪法,获得了Kevlar29纱线在不同应变率下的应力-应变曲线,分析了纱线动态拉伸的变形与断裂过程,揭示了Kevlar29纱线力学性能的应变率效应;通过最小二乘法拟合得到了基于纱线应变率效应的黏弹性本构方程,分析了三元件和五元件本构模型的差异及适用性。结果表明：随着应变率升高,Kevlar29纱线的断裂应变减小,拉伸强度和韧性先增大后减小,拉伸模量先增大后趋于稳定;五元件黏弹性本构模型能够较好地表征纱线力学性能的应变率效应。     

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。     

单纤维与裂纹交互微力学:完整粘接纤维

使用微拉曼光谱技术研究裂纹前喙Kevlar49芳纶纤维交互微力学行为.在建立Kevlar49芳纶纤维轴向变形与拉曼频移线性关系的基础上,通过逐点测量裂尖前喙完整粘接纤维上的应力分布,探讨了裂纹与完整粘接纤维的交互作用,建立了完整粘接纤维上的应力传递模型.Ⅰ型裂纹切口前方的高应力区造成粘接完好纤维上出现应力集中,应力强度因子K1影响着纤维应力集中长度.     

一种微构件拉伸测试系统及测试结构设计

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)的力学性能是研究MEMS可靠性的一个重要部分。目前,微结构片外拉伸测试的难点在于如何在实现较高精度的夹持和测试的同时能够较好地控制成本,这是本文着重解决的问题。首先,针对单晶硅各向异性湿法体硅工艺的特点,设计了一种新颖而经济的试样结构,利用力学分析确定其结构尺寸,通过有限元分析验证其合理性;其次,设计了一种简单经济的微结构片外拉伸测试系统;最后,加工出样本并进行准静载拉伸强度测试。结果表明:微梁尺寸增大,拉伸强度降低,同时验证了本装置在微结构拉伸准静载测试中的适用性。     

纤维增强橡胶复合材料拉伸与破坏的试验分析

鉴于橡胶制品的广泛应用,本文利用Zwick020材料试验机和Zwick010双向拉伸材料试验机分析了一类纤维增强橡胶复合材料在不同温度条件下的单向拉伸及双向拉伸的力学行为.得到了不同温度条件下材料单向拉伸及双向拉伸的应力-应变关系曲线和材料的破坏条件,由此分析了温度条件和加载条件对纤维增强橡胶复合材料拉伸变形和破坏等力学性能的影响.同时利用实验结果拟合出材料的一类应变能函数及材料常数.     

中空纳米微球填充复合材料的有效力学性能

中空纳米微球可作为复合材料填充体使用. 与相同粒径下的实心纳米颗粒相比,中空纳米微球密度更低,存在表/界面应力效应的面积更大,由此导致的不同力学行为值得人们关注和研究. 目的是研究表/界面应力对中空纳米微球填充复合材料力学行为的影响. 首先,基于广义自洽原理,利用考虑表/界面应力影响的四相球模型导出了中空纳米微球填充复合材料在单向载荷作用下的弹性场,获得了纳米复合材料有效弹性模量的闭合形式解. 然后,分析了纳米复合材料存在的尺度相关性. 算例结果表明,有效弹性常数和环向应力与经典解答不同, 取决于表/界面性能、纳米中空微球粒径和壁厚. 该结论对于中空纳米微球复合材料具有指导意义.      

起波钢筋高速动态拉伸力学性能研究

针对提高混凝土梁抗冲击爆炸性能的起波配筋新技术,采用理论分析与动态冲击拉伸试验相结合的方法,揭示了起波钢筋的快速拉伸变形作用机理,分析了拉伸速度、起波矢高等因素对起波钢筋抗拉强度的影响规律,确定了起波钢筋静态弹性极限强度计算方法。提出了起波钢筋等效拉伸应变率新概念,建立了弹性极限强度动力放大系数（dynamic increase factors,DIF）计算模型。研究结果表明,预先弯折起波使得钢筋在受力拉直过程中产生截面弯矩,起波钢筋的力学性能存在明显的应变率效应;起波钢筋弹性抗拉极限强度DIF随起波矢高的增高先增大后减小,存在一个最优起波设计矢高,可以使起波钢筋抗拉强度动态放大系数达到最大。研究成果可为进一步推动起波配筋技术在防护工程中的应用提供依据。     

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。     

碳纤维增强羟基磷灰石/聚乳酸复合生物材料的制备和力学性能

为了提高羟基磷灰石粒子和碳纤维与聚乳酸之间的粘接力和相互作用力，对羟基磷灰石和碳纤维分别进行表面改性。羟基磷灰石采用表面接枝聚乳酸的方法，结果在红外谱图中1740cm^-1处出现了羰基的吸收峰，经热失重分析接枝率达到5％。碳纤维则用硝酸进行氧化处理后表面变粗糙，有效地提高了与聚乳酸基体的界面结合力。采用溶液共混-热压方法制备了碳纤维增强羟基磷灰石／聚乳酸三元复合生物材料，研究了其剪切强度随羟基磷灰石含量和体外降解时间的变化关系。复合材料的剪切强度随HA含量的增加存在一个峰值，最大剪切强度为340MPa。在37℃PBS模拟体液中体外降解16周后，剪切强度维持在190MPa左右，有很好的强度保持性，观察复合材料的微观结构发现，聚乳酸降解后碳纤维和基体之间的界面出现空隙。     

活性粉末混凝土力学性能及冻融性能研究

活性粉末混凝土具有优异的力学性能和耐久性,本文按照正交设计方法设计了9组不同配合比的活性粉末混凝土,通过试验研究了其基本力学性能及抗冻融性能,分析了水胶比、硅灰水泥比和钢纤维含量等因素对活性粉末混凝土力学性能及抗冻融性能的影响规律。研究表明,水胶比是影响活性粉末混凝土力学性能及抗冻融性能最主要的因素,钢纤维含量对活性粉末混凝土抗折和劈裂强度影响较为显著,对其抗压强度和抗冻融性能的影响不明显。本文根据试件破坏的现象对钢纤维作用的机理做了初步的探讨。     

不锈钢表面等离子合金化渗铜层的纳米力学性能研究

为了研究不锈钢渗铜层的纳米力学性能,本文采用等离子表面合金化技术在304不锈钢表面制备了渗铜层。利用纳米压入硬度仪,采用连续刚度测试法,对渗铜层以及不锈钢基体的表面和横截面的纳米力学性能进行了测试,得到了纳米压入过程的载荷-压入深度曲线,发现渗铜层抵抗外载荷的能力低于不锈钢基体。并得到了渗铜层和不锈钢基体的表面、横截面方向的硬度以及杨氏模量,经对比得到渗铜层的杨氏模量和硬度都要比不锈钢基体的低,并且渗铜层的力学性能表现出各向异性。对纳米压入的数据进行分析,发现渗铜层在小尺度压入时硬度和杨氏模量表现出明显的"尺度效应"。     

原位微拉曼测试技术在碳纳米管纤维和薄膜材料力学性能研究中的应用

利用宏观应力联合原位微拉曼测试技术对双壁碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)纤维和薄膜材料的力学性能进行了实验分析,探讨了拉伸加载期间纤维和薄膜内CNT的载荷响应及其与宏观力学性能的关联,揭示了两种材料力学性能差异性的微观机理。实验分析表明,CNT纤维和薄膜的拉伸变形呈现弹性、强化和损伤断裂三个阶段,但其内的CNT只发生弹性变形,没有塑性形变,且没有明显的损伤或键的断裂,纤维和薄膜呈现阶段性拉伸变形的原因可归结为滑移。纤维的弹性模量显著高于薄膜,是薄膜的4.7倍,原因是弹性阶段纤维中CNT的轴向伸长对宏观应变的贡献较大。纤维和薄膜的拉伸强度相差较小,原因是强化阶段薄膜内不断有大量CNT进入承载队伍,这也使得薄膜具有比纤维更高的韧性。     

On the Testing of the Dynamic Mechanical Properties of Soft Gelatins

This research focuses on the measurement of the static and dynamic mechanical properties of ballistic gelatin. We present a simple, novel experimental setup for measuring the dynamic material properties of ballistic gelatin that includes the classic metallic incident and transmission bars as opposed to the polymeric Kolsky bars used by additional research groups. This method is mathematically validated, while providing sought out for stress–strain curves for three different ballistic gelatin concentrations. The results are then compared to two additional research groups, while being consistent with one and contradictory to the other. Finally, an empirical constitutive law is presented that is consistent with the results obtained through the experimental setup.     

纤维增强橡胶复合材料界面力学性能有限元分析

基于剪滞理论,引入双线性内聚力模型研究了纤维与基体界面应力传递机理.采用ABAQUS模拟了非理想界面在单纤维拔出过程中的脱粘失效,分析了不同脱粘阶段界面剪应力分布情况,以及界面刚度和纤维长径比对界面应力传递和拔出载荷的影响规律.结果表明,在纤维受载失效过程中,纤维的拔出过程可分为4个阶段,即界面的完全粘结、损伤演化、逐渐脱粘、完全脱粘.界面的刚度和纤维长径比对界面应力传递与最大拔出力均有一定的影响.界面刚度、纤维长径比主要影响纤维的最大拔出载荷以及界面脱粘失效位移.     

纤维混杂效应对混凝土弯曲韧性的改善

本文采用在C30混凝土中以不同的方式掺入玄武岩纤维与聚丙烯纤维,通过对8种单掺纤维混凝土试件和16种混杂纤维混凝土试件的弯曲性能进行试验研究,分析玄武岩纤维、聚丙烯纤维及其混杂纤维对混凝土弯曲力学特征的影响。试验结果表明,玄武岩纤维、聚丙烯纤维及玄武岩-聚丙烯混杂纤维的掺入对基体混凝土弯曲破坏时承受的最大荷载、破坏点挠度值和韧性指数均有很大的改善,其中,混杂纤维优于单掺纤维。混杂纤维对基体混凝土韧性指数提高最大达到18.1%。本文提出"纤维混杂效应函数"概念,并利用Matlab数据拟合出玄武岩-聚丙烯混杂纤维改善基体混凝土弯曲韧性的混杂效应函数。通过对混杂效应函数求极值,得到玄武岩-聚丙烯混杂纤维对基体混凝土弯曲韧性改善的最佳的体积掺加率,该值与试验数据基本一致。