界面层对三维机织角联锁SiC_(f)/SiC复合材料断裂韧性的影响

为探究界面层对SiC_(f)/SiC复合材料性能的影响,选用国产第3代SiC纤维,通过先驱体浸渍裂解工艺制备了热解碳(PyC)、热解碳/碳化硅(PyC/SiC)、氮化硼(BN)、氮化硼/碳化硅(BN/SiC)4种界面层的三维机织角联锁SiC_(f)/SiC复合材料。在此基础上,结合声发射技术对复合材料进行常温断裂韧性测试,并利用扫描电镜对其细观损伤模式进行评价。结果表明:界面层对三维机织角联锁SiC_(f)/SiC复合材料的断裂强度和断裂韧性有强决定作用,但对其初始模量没有太大的影响;以PyC层为主界面层的试样具有良好的断裂韧性,试样P-SiC_(f)/SiC和P/S-SiC_(f)/SiC的断裂韧性分别为13.99和16.93 MPa·m^(1/2),而试样B-SiC_(f)/SiC表现出强界面结合,具有最低断裂韧性6.47 MPa·m^(1/2);但在界面引入SiC层后,试样B/S-SiC_(f)/SiC的断裂韧性显著提高至15.81 MPa·m^(1/2);声发射能量和撞击数可完整描述SiC_(f)/SiC复合材料的实时损伤过程。

含缺陷C/SiC平纹机织复合材料拉伸力学行为数值模拟

采用APDL语言实现ANSYS的二次开发,建立含预制缺陷的纤维束截面卵圆形多尺度单胞模型。首先计算纤维束单胞的初始模量,强度以及最大应变;随后利用扫描电镜图中的缺陷建立单胞模型,并引入周期性边界条件,预测材料的初始各向材料常数。同时利用Linde提出的逐渐损伤准则,进行单轴拉伸力学行为的数值模拟,并阐述该平纹机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷作用下其纤维束的损伤及演化过程。该模型计算得到的最大拉应度为0.65%,强度为256.46 MPa。结果表明,该模型给出的数值模拟结果与实验数据吻合较好,证明了模型的有效性,为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供了一种有效方法。

平纹机织复合材料纯电动汽车电池箱多尺度可靠性优化设计

为了充分发挥碳纤维复合材料的潜能,提出一种多尺度的复合材料结构可靠性优化设计方法。以平纹机织复合材料新能源汽车电池箱为研究对象,基于有限元法的均匀化理论预测方法,将机织复合材料各尺度之间的弹性参数进行关联,建立复合材料弹性性能预测解析模型和电池箱有限元模型。鉴于复合材料结构和设计变量受不确定性因素的影响,结合Kriging代理模型、SORA(stochastic optimal routing algorithm)法和蒙特卡洛仿真法,实现机织复合材料电池箱的多尺度可靠性优化设计。结果表明,优化后的电池箱在满足可靠性和轻量化要求的同时,能有效提高电池箱的模态频率和刚度,可为机织复合材料汽车零部件的优化设计提供指导。

碳纤维平纹机织复合材料低速冲击损伤的非线性超声检测研究

针对碳纤维环氧树脂基平纹机织复合材料的低速冲击损伤,构建了低速冲击-超声检测一体化有限元模型。基于渐进均匀化方法构建了平纹机织复合材料的真实细观单胞模型;基于三维Hashin失效准则对扩展的宏观复合材料板模型在不同冲击能量下的低速冲击损伤进行数值模拟;通过超声Lamb波对损伤区域的非线性响应评估材料内部的损伤情况。利用RAM-5000 SNAP非线性超声检测系统对不同冲击能量的试验试样进行检测,对比仿真结果。结果表明:一体化模型有效可行;超声Lamb波可用于检测机织材料的冲击损伤,其二次谐波幅值和相对二次非线性系数随冲击能量的增大而增大。

平纹编织C/SiC复合材料在室温和高温环境下的拉伸行为

通过单向拉伸试验,对比研究平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料在室温和高温(1300℃,包括惰性气氛和湿氧气氛)环境下的宏观力学特性,并采用光学显微镜和扫描电镜对试件断口进行显微观察,分析其损伤模式和破坏机理。结果表明:C/SiC复合材料的室温和高温拉伸行为通常表现为非线性特征,在低应力时就开始出现损伤;纤维与基体之间界面滑行阻力的降低使C/SiC复合材料在高温惰性气氛环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的高;碳纤维的氧化严重影响材料的承载能力导致高温湿氧环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的低;C/SiC复合材料室温和高温下的拉伸均呈现韧性断裂,断口较为相似,只是纤维拔出长度和断口的平齐程度有所不同,其中高温惰性气氛环境下纤维拔出最长,高温湿氧环境下试件断口有明显的被氧化痕迹;0°纤维束表面基体开裂、明显的层间分层以及0°纤维和纤维束的拔出和断裂同时携带90°纤维束拔出是C/SiC复合材料在室温和高温下的拉伸破坏机理。

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。

基于ECPL模型的平纹机织复合材料低速冲击多尺度模拟

采用多尺度方法对平纹机织复合材料低速冲击损伤进行了数值模拟。建立E玻璃纤维束的微观单胞模型,计算出纤维束的等效刚度和强度;然后建立平纹机织复合材料的细观单胞模型,并基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则对细观模型进行损伤演化模拟;提出一种新的基于体积平均法的局部均匀化方法,将细观模型转化为含有0°和90°单层的等效交叉层合板(ECPL)模型,同时将建立的ECPL模型扩展成宏观模型并对其低速冲击损伤进行数值模拟,得出冲击能量为30 J下平纹机织复合材料的力位移曲线及能量曲线并与文献中的试验结果进行了对比。结果表明,由于层合板未发生穿孔破坏,力和位移均呈现先增大后减小的趋势,数值模拟峰值力为5621 N,与试验值误差为1.3%;并且层合板失效形式主要为纤维和基体拉伸损伤及层间分层损伤。宏观ECPL低速冲击模型的数值与试验结果吻合较好,验证了局部均匀化方法和多尺度模型的有效性。

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。

三维机织角联锁SiCf/SiC复合材料弯曲性能及损伤机制

为解决陶瓷基复合材料在服役环境中由于弯曲而导致失效的问题,从理论上分析了经向和纬向弯曲过程中复合材料弯曲受力与内部纤维之间的相互作用机制。以SiCf/SiC复合材料为例,利用微计算机断层扫描技术获得其内部纤维结构和孔隙等三维图像;并在此基础上,分别对三维机织角联锁SiCf/SiC复合材料经向和纬向进行弯曲性能测试,从细观、微观尺度分析弯曲损伤机制。结果表明:三维机织角联锁SiCf/SiC复合材料的纬向和经向性能明显不同,且纬向试样的弯曲强度大于经向试样;SiCf/SiC复合材料的弯曲损伤模式复杂,经向试样裂纹主要沿着经纱与纬纱接触点扩展,而纬向试样裂纹主要在纬纱束之间产生,并最终导致弯曲破坏。

二维机织C/SiC复合材料非线性力学行为数值模拟

建立了考虑纤维束内部缺陷以及外部基体缺陷的多尺度单胞模型。首先依据电镜扫描图和材料内部单胞的密度,确定了纤维束单胞和复合材料单胞的几何尺寸;然后引入周期性边界条件,利用含缺陷的纤维束单胞模型计算了其初始模量和强度;最后使用由电镜扫描图确定尺寸的复合材料单胞模型,利用上一尺度的材料参数,对复合材料的模量进行了预测;并建立了含损伤纤维束单胞的刚度矩阵,运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤,通过数值结果与试验结果的对比,分析了Hashin准则作为判定纤维束起始损伤的适用性,并最终据此给出了单轴载荷作用下受损材料参数的变化情况。分析表明:基于考虑两种缺陷的多尺度模型,使用Hashin准则对C/Si C复合材料单胞进行非线性应力-应变行为数值预报与实验吻合良好。

平纹编织C/SiC复合材料精细RVE的建立

通过对平纹编织C/SiC复合材料经向和纬向截面的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)照片的精确测量,获取了纤维束的几何参数和波动曲线,以四参数正弦函数为拟合函数,得到了纤维束纵、横截面的参数化曲线方程。并通过建立的代表特征体元(representative volume element,RVE)得到纤维体积含量的计算值与试验测定值相比较,来检验模型的精确性。以MSC.PATRAN为平台,采用六面体单元进行分网,得到了RVE的三维有限元模型。通过在RVE模型中预制孔洞的方法,计算了平纹编织C/SiC复合材料的有效弹性模量,其中轴向拉伸模量与轴向剪切模量的计算值与试验值吻合较好,其它3个有效弹性模量还有待试验值的检验。

平纹编织C/SiC复合材料热残余应力的模拟和分析

通过对平纹编织C/SiC复合材料SEM照片精确测量,获取了纤维束的几何参数,并以四参数正弦函数为拟合方程,得到了RVE的建模曲线方程,并建立了RVE的三维有限元模型。采用间接耦合的降温法,模拟计算了C/SiC复合材料的轴向热残余应力,其计算结果与理论值接近;并分析了制备温度以及纤维体积含量对热残余应力的影响。

平纹机织多元多层碳化硅陶瓷基复合材料的等效弹性模量预测

针对平纹机织多元多层碳化硅陶瓷基复合材料,按照"从底向上"的顺序考虑了纤维丝/界面/基体尺度以及纤维束/基体/涂层尺度下的微结构有限元模型。采用能量法依次进行了两个尺度上的等效性能计算,首先在纤维丝/界面/基体的尺度上计算了纤维束的等效弹性参数,然后将这些参数代入到纤维束/基体/涂层尺度微结构模型中,计算得到复合材料的整体弹性常数。数值计算结果与实验结果吻合较好,验证了所提计算方法以及模型的有效性。

三维机织C／C复合材料的摩擦磨损性能

采用碳纤维织造了三维角联锁和三向正交2种不同三维机织物,首先采用化学气相渗透(CVI)使其致密,再采用液相树脂浸渍/碳化的补充增密技术,制备出粗糙层结构热解碳和树脂碳双元基体C/C复合材料;对该C/C复合材料进行摩擦磨损实验,采用光学显微镜、扫描电镜对三维机织物增强的C/C复合材料的摩擦面以及磨屑形貌进行观察,对其磨损机理进行分析。结果表明:三维角联锁C/C复合材料比三向正交C/C复合材料的摩擦因数低(分别为0.40和0.48),二者的摩擦性能均稳定,后者比前者磨损量小,说明Z向纤维束有利于提高摩擦因数并降低磨损量。

三维机织预制体结构对C/C复合材料力学性能的影响

本工作设计并用炭纤维织造了两种不同结构的三维预制体,即三维角联锁结构(JLS)和三向正交结构(SZJ),采用化学气相渗透(CVI)致密和液相树脂浸渍/炭化的增密工艺,制备出C/C复合材料,测试并对比分析了拉伸性能和冲剪性能。结果表明:预制体结构对C/C复合材料的力学性能有很大影响,同时决定拉伸断裂破坏模式。三向正交结构C/C复合材料的力学性能好于三维角联锁结构的C/C复合材料。

C/SiC复合材料空间光机结构的研究进展与展望

C/SiC具有轻质、高模、低热膨胀系数等优异的性能,可作为新一代高精度空间光机结构件材料。概述了空间光机结构件材料发展的趋势,对比了RB、CVI、PIP工艺的C/SiC复合材料性能,综述了近年来国内外C/SiC复合材料在空间光机结构中的研究进展及应用情况,指出低成本、短周期、结构和工艺设计以及应用基础研究将是C/SiC复合材料未来发展的重点方向。

C/C机织复合材料开孔板强度有限元模拟

三维机织复合材料已在航空航天领域得到广泛应用,研究开孔C/C机织复合材料在拉伸和压缩状态下的损伤机理具有重要工程价值。建立开孔C/C三向正交机织复合材料试验件的镶嵌有限元模型,在孔周范围内按照材料的细观结构建立细观尺度有限元模型,采用基于细观力学的强度准则对其拉伸和压缩损伤演化过程进行模拟,并预测其极限拉伸、压缩载荷和拉伸、压缩强度。结果表明:在拉伸与压缩载荷下,由于缝线与纤维束接触区域的应力集中,使得开孔板经纱多处区域出现损伤起始,开孔板损伤区域均呈"X"形扩展。

基于多尺度方法的平纹机织SiC/SiC复合材料力学性能预测

本文基于平纹机织SiC/SiC复合材料的多尺度特性以及微观结构的周期性,建立了微观尺度(纤维尺度)和中观尺度(纱线尺度)的单胞模型,利用Abaqus软件计算得出纤维尺度模型的力学性能参数,将这些参数导入纱线尺度模型中,同时编写相应的UMAT子程序来判断材料的损伤起始和损伤演化过程,模拟了平纹机织SiC/SiC复合材料在单向拉伸时的损伤演化以及破坏过程。结果表明X向拉伸应力应变曲线与试验曲线吻合良好,有效地预测了平纹机织SiC/SiC复合材料的强度性能和损伤演化过程。

碳纤维平纹机织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能多尺度分析

构建了多尺度模型对碳纤维平纹机织复合材料低速冲击及冲击后压缩性能进行预测分析,该多尺度模型包括微观、细观和宏观模型三部分。构建“碳纤维基体”的微观代表性体积单元模型,用于预测纤维束等效力学参数。根据平纹机织复合材料内部几何构型及求得的纤维束等效力学参数,构建“纤维束基体”的细观单胞模型,并通过周期性边界条件对其施加不同的位移载荷,预测细观单胞模型的等效力学性能。基于局部均匀化方法将细观单胞模型简化为含有0°和90°单层的等效交叉层合板模型,并将其阵列扩展为宏观模型,以分析低速冲击及冲击后压缩性能。通过对比不同冲击能量下的低速冲击及冲击后压缩的试验与仿真结果,验证了模型的有效性。