二维编织陶瓷基复合材料应力-应变行为

对二维编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟.将二维编织结构简化为:正交铺层结构和纤维束波动结构.基于基体随机开裂、纤维随机断裂分布理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分进行分割,引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系.结合正交铺层部分和纤维束波动部分的应力-应变关系,得到二维编织结构的应力-应变行为,理论与试验吻合较好.

双向等轴拉伸载荷下二维编织陶瓷基复合材料的应力-应变行为预测

将二维编织结构简化为(0°/90°)s正交铺层结构。采用含损伤变量的剪滞分析理论,解得双向等轴拉伸载荷下,0°层和90°层开裂后各层的应力分布;基于随机基体裂纹演化理论,随机纤维损伤和最终失效理论,确定了0°层和90°层沿纤维方向的应力-应变关系,以及切线拉伸模量与施加载荷之间的关系;然后,将切线拉伸模量代入正交铺层结构的剪滞分析中,进而预测出二维编织陶瓷基复合材料在双向等轴拉伸载荷下的应力-应变关系。预测结果表明:在双向等轴拉伸载荷下,二维编织陶瓷基复合材料的横向和纵向应力-应变曲线基本相同,与单向加载时的应力-应变曲线相近。

二维编织陶瓷基复合材料偏轴拉伸力学性能预测

基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型,通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度,然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算,并引入Tsai-Wu失效准则,考虑不同失效模式的损伤,建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型,模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型,阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型的有效性,为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。

陶瓷基复合材料编织结构参数对气膜冷却效果影响研究

针对陶瓷基复合材料(CMC材料)在航空发动机高温部件中应用时的冷却需求,考虑到CMC材料内部非均质非均匀结构和热物性特征与均质金属材料的巨大差异,探究了CMC材料编织结构几何参数对气膜综合冷却效果的影响,研究中以三维五向编织CMC材料为例,建立了反映材料内部细观编织结构的平板气膜全尺寸计算模型,从细观纱线尺度引入各组分热物性参数,计算分析了不同编织角度和纤维束截面尺寸等几何特征参数对气膜综合冷效的影响规律。研究结果表明,纤维束由于导热系数相对较高成为平板内部的主要热量传输通道,编织角发生变化时纤维束方向也随之改变,进而影响材料内部热量传输通道及整体各向异性等效导热系数。本文计算工况下,在气膜孔下游0~10D (D为气膜孔直径)区域,编织角度为40°时气膜综合冷效相对较高;在远离气膜孔区域,气膜板的冷却效果随着编织角度的增大而减弱。纤维束截面尺寸的改变对气膜综合冷效的影响较小,但是随着纤维束截面尺寸的增加,平板内部温度更加均匀。

二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料宏观弹性常数预测及模态试验研究

为了研究二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料振动特性,建立了宏观等效弹性常数预测方法,并在此基础上开展了复合材料平板件的模态分析及试验验证。首先,根据二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料结构特点,建立了基于3次B样条曲线和正弦曲线的单胞模型;然后,利用细观力学有限元法预测了复合材料的宏观等效弹性常数,弹性模量预测结果与文献试验数据的相对误差小于3%;最后,开展了二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料平板件的锤击法模态测试试验,有限元预测的前五阶模态频率与测试结果相比,相对误差均小于4%。

环境温度对二维编织SiC/SiC复合材料拉伸性能的影响研究

为了研究环境温度对陶瓷基复合材料拉伸性能的影响,在室温和800℃,1000℃,1200℃惰性气体保护环境下开展了二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸试验。采用数字图像相关技术采集了高温环境下试件的变形数据。通过光学显微镜和扫描电子显微镜拍摄了试件的断口形貌。结果表明:800~1200℃内,二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸应力-应变响应同样具有明显的双线性特征,初始线性段的弹性模量与室温测试结果相近,高温环境下第二线性段弹性模量低于室温环境;800~1200℃惰性气体环境下材料拉伸强度较室温环境低20%左右;温度主要影响材料中纤维与基体的结合状态和SiC纤维的强度。一方面,温度越高断口纤维拔出情况越严重;另一方面,温度越高SiC纤维强度越低,二维编织SiC/SiC复合材料强度也有所下降。

非正交二维平纹编织树脂基复合材料的弹性性能

二维编织布在铺设形状复杂的复合材料结构时,如果边缘受到拉剪,经纬纱之间的夹角会发生变化;在固化过程中,原本正交的经纬纱走向也可能发生偏转。经纬纱之间夹角的变化会增加材料的各向异性,进而影响结构的力学性能。本文通过试验研究了纤维束偏转对二维编织复合材料弹性性能的影响,分别进行了三种典型试验件面内拉伸弹性模量的测试。基于刚度体平均方法,提出了一种非正交二维编织树脂基复合材料的刚度预测模型,并在此基础上分析了纤维束偏转对材料有效性能的影响规律。计算结果与试验数据符合良好。

三维编织陶瓷基复合材料的断裂韧性

纤维与基体之间的弱化界面能够增加陶瓷基复合材料的韧性，却使得裂纹在编织CMC界面上扩展，在对编辑CMC断裂试验的形态观察基础上，本文从界面断裂理论上剖析了编织结构，研究了材料的裂纹扩展路径以及侵入角γ对材料断裂韧性的影响，提出了用能量释放率表征三维编织陶瓷基复合材料断裂韧性的方法，为实验分析提供了一条计算道路。

Ti_(n+1)C_(n)T_(x)-MXenes二维材料的制备及其陶瓷基复合材料的研究现状

二维钛碳化物(Ti_(n+1)C_(n)T_(x)-MXenes)具有独特的层状结构、优异的电学性能、良好的化学稳定性和较高的比表面积,被广泛应用于能源、存储、医学、电磁屏蔽和传感器等领域。通过液相法选择性刻蚀钛基MAX相中的A位元素,可制得Ti_(n+1)C_(n)T_(x)-MXenes。Ti_(n+1)C_(n)T_(x)-MXenes作为增强相,与陶瓷材料有效复合形成陶瓷基复合材料,进而改善陶瓷材料的使用性能。目前,绿色高效制备无氟Ti_(n+1)C_(n)T_(x)-MXenes的研究尚处于起步阶段,且Ti_(n+1)C_(n)T_(x)-MXenes陶瓷基复合材料的增强机理和高温使用性能仍有待探究。综述了Ti_(n+1)C_(n)T_(x)-MXenes的制备方法,同时介绍了Ti_(n+1)C_(n)T_(x)-MXenes在陶瓷基复合材料中的应用,并对Ti_(n+1)C_(n)T_(x)-MXenes的发展趋势和面临的问题进行了展望。

二维平纹编织CVI工艺C/SiC复合材料的疲劳行为

通过室温等幅单向拉-拉疲劳实验,对2D平纹编织C/SiC复合材料的疲劳性能进行了研究.通过对实验数据的分析,发现疲劳极限（N=5×10^5）约为极限拉伸强度的80%～85%,当加载应力超过88%极限拉伸强度时,失效很快发生,给出计算疲劳寿命的经验公式.通过观察实验件断口,分析了疲劳破坏的机制.研究表明,C/SiC复合材料具有良好的疲劳性能,但其分散性也会给结构设计带来一定的难度.

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Si C/Si C和C/Si C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/Si C复合材料45?方向基体裂纹的起裂应力明显小于2D-Si C/Si C复合材料,而两者0?/90?方向裂纹的起裂应力基本相同.

二维编织SiC/SiC复合材料的剪切性能

通过单向以及循环加卸载面内剪切试验,结合试件失效分析,研究了二维编织SiC/SiC复合材料的面内剪切特性。将试件剪切响应分为弹性部分和非弹性部分,分别由卸载模量和残余应变表征,由此得到剪切应力-应变关系表达式。试验结果表明,卸载模量随应力以指数形式衰减,残余应变随应力以指数形式增大。预测剪切应力-应变曲线与试验曲线吻合很好。

二维编织C/SiC复合材料的热膨胀系数预测

根据二维编织C/SiC复合材料的细观结构及其制备工艺特点,提出了一种预测该材料面内热膨胀系数的单胞模型。模型充分考虑了编织结构复合材料中的纤维束弯曲和CVI工艺制备陶瓷基复合材料产生的孔洞对热膨胀系数的影响。利用单胞模型预测了二维编织C/SiC的结构参数、纤维体积含量、孔洞含量对复合材料热膨胀系数的影响规律,结果表明:随着纤维束扭结处产生间隙与纱线宽度比值的增大,热膨胀系数增大;当其它参数不变时,随着纤维体积含量的增大,热膨胀系数反而下降;随着孔洞含量的增加,热膨胀系数也出现了下降的趋势。利用DIL402C热膨胀仪测试了二维编织C/SiC复合材料纵向热膨胀系数,试验结果与模型预测结果吻合较好。

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。

开孔对平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料力学行为的影响

通过拉伸、压缩和疲劳实验结合断口显微观察并与光滑试样进行对比,研究开孔对平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料力学行为的影响。结果表明:开孔试样的拉伸行为和光滑试样一样表现为非线性,拉伸强度降低11.8%,拉伸破坏应变降低54.3%;开孔试样的压缩行为与光滑试样不同,低应力时表现为线性,应力增大到一定程度时由于裂纹闭合效应较为明显,开始表现出明显的非线性,压缩强度降低12.2%,压缩破坏应变降低54.9%;开孔试样的疲劳极限约为其极限拉伸强度的88%,与光滑试样相同;开孔试样在拉伸、压缩和疲劳载荷作用下都具有较小的应力集中系数,对开孔敏感性较小;开孔试样断口一般从孔中间穿过,破坏首先发生在试样孔边应力集中最严重的地方,断口方向与孔边初始缺陷有关。

平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料开孔试样的疲劳行为

通过室温等幅单向拉一拉疲劳试验并结合超声C和电镜扫描，研究平纹编织C／SiC陶瓷基复合材料开孔试样的疲劳行为。结果表明：开孔试样疲劳极限约为极限拉伸强度的85％-90％，与光滑试样相当；其具有较小的疲劳缺口系数，对开孔敏感性小；疲劳峰值应力稍低于疲劳极限时损伤不明显。超过疲劳极限时疲劳寿命下降很快；疲劳断口从开孔中间穿过，断口形貌及破坏机理与光滑试样相同。

二维编织复合材料管件力学性能研究进展

综述了近年来国内外对二维编织复合材料管件力学性能的研究成果及研究进展,主要包括力学性能实验研究、结构几何模型和数值仿真研究。在实验研究中介绍了二维编织复合材料管件的能量吸收性能及弹性性能,同时重点介绍了编织角及编织结构的变化对复合材料各种性能的影响的最新研究进展;在结构几何模型研究中,以细观结构、宏-细观结构模型研究为主,详细介绍了当前流行的建模方法;在数值仿真研究方面,介绍了研究人员根据二维编织成型原理以及纤维在复合材料中的取向建立的实体模型仿真分析。最后,总结当下研究中存在的问题,并对未来研究趋势进行展望。

二维三轴编织复合材料强度及渐进损伤数值预测

针对二维三轴编织复合材料纤维束路径周期波动问题,给出空间周期三次样条的求解方法,基于周期三次样条曲线段,求解任意一点处单元材料主方向。建立非对称的透镜形纤维束横截面,并考虑纤维束横截面随纤维路径产生的扭曲。基于区域叠合思想,利用直接网格建模而后切割的参数化单胞网格建立方案生成二维三轴编织复合材料更为精细的参数化单胞模型。基于Murakami损伤理论建立正交各向异性损伤本构模型,利用等价位移控制实体单元相应模式下损伤的演变发展,在单胞模型中引入界面单元,考虑界面相损伤对材料损伤演变过程的影响,预测45°编织角二维三轴编织复合材料在轴向和横向拉伸载荷作用下的强度以及细观损伤起始、扩展和最终失效过程。数值预测结果与试验结果吻合较好。

二维三轴编织复合材料预压单胞模型建立及其弹性规律数值预测

针对二维三轴编织复合材料预压参数化单胞模型建立困难的问题,结合变形后的预制件模型单元离散数据,采用体素法生成了参数化的单胞模型,同时利用周期三次样条曲线构造了纤维束路径,建立了纤维束任意一点处的材料方向计算方法,以及可以描述非对称透镜形平面曲线的参数方程,然后通过单元切割程序,获得了挤压变形的编织预制件网格模型。结合变形后的预制件单元离散数据,利用体素法生成了在界面上和单胞边界面上均位移连续的参数化单胞模型,分析了不同网格尺寸下有限元模型的收敛性,并验证了模型的计算精度。实验结果表明可利用该模型对实际预压条件下二维三轴编织复合材料的弹性规律进行预测。

二维编织碳纤维增强复合材料管件耐冲击性能研究

对碳纤维复合材料管件进行耐冲击性能测试,分析并讨论了编织节距等参数对碳纤维增强复合材料关键的耐冲击性能影响。结果表明,增强体碳纤维本身表现出的脆性大,使得复合后管件的耐冲击性能表现不明显;节距越小,纱线交织紧密,成为有机的一个整体,耐冲击性能越好。