国产三代2.5D SiC_(f)/SiC复合材料的界面力学性能

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)是下一代航空发动机的关键结构材料,其界面性能是决定材料力学性能的重要因素之一。为此,本研究表征了国产三代2.5D SiC_(f)/SiC的界面性能,并探究其与材料拉伸性能的关系。利用拉伸加/卸载过程中的迟滞特性定量分析了2.5D SiC_(f)/SiC中各组元残余应力和界面滑动应力(IFSS),根据断口拔出纤维的断裂镜面半径得到了纤维就位强度(σ_(fu))的统计分布,通过纤维推入法得到界面剪切强度(ISS)和界面脱黏能(G_(i))。结果表明:利用宏观结合细观的方法能够较全面地描述SiC_(f)/SiC从初始裂纹萌生到最终脱黏不同阶段的界面力学性能,2.5D SiC_(f)/SiC的IFSS、ISS和Gi分别为56 MPa、(28±5)MPa和(2.7±0.6)J/m2。ISS和Gi较低,表明界面结合较弱,在剪应力作用下易产生裂纹,而IFSS较大,表明界面脱黏后纤维与基体间相对滑动较为困难,阻碍了纤维拔出,不利于发挥纤维的增强作用。根据获得的界面性能和经典ACK模型,较好地预测出比例极限应力,并结合σ_(fu)预测了2.5D SiC_(f)/SiC的拉伸强度。拉伸强度预测值高于实验值,这与界面处径向残余压应力以及纤维承受的残余拉应力有关。

泡沫轻质土路堤界面滑动稳定分析方法

泡沫轻质土路堤在既有路基拓宽、陡坡路堤中应用越来越多。泡沫轻质土路堤可能沿着与普通土界面滑动。现行规范通常将泡沫轻质土路堤看作重力式挡土墙分析界面滑动稳定性,该方法对台阶形界面难以应用。当泡沫轻质土路堤因不均匀沉降或上部荷载等出现断裂现象时该方法不再适用。泡沫轻质土路堤建议采用剩余下滑力法进行界面滑动稳定分析,并提出相应计算公式。算例表明。挡土墙法计算的界面滑动安全系数大于剩余下滑力法计算的界面滑动安全系数;界面上设置台阶可显著提高界面滑动稳定性,连续台阶界面滑动稳定性不如断续台阶界面。在界面中下部设置1～2个断续台阶最有利于提高界面滑动稳定性。

高功率脉冲电流作用下滑动界面初始熔蚀的试验研究

为研究高功率脉冲电流作用下轨道电磁发射装置中枢轨滑动界面的熔融和沉积特性,在同一峰值脉冲电流下,通过控制电枢触发位置进行发射试验,模拟了不同发射阶段的滑动界面熔蚀特征。试验采用4种不同尺寸的C形电枢,比较了不同初始接触状态对初始熔蚀的影响。结果表明:电枢接触表面出现液态金属流动特征和熔融溢出现象;电枢接触边缘首先发生熔蚀,其轴向位置与初始接触状态紧密相关;随着脉冲电流作用时间增长,熔蚀区域向电枢前部和中部扩散,较大的接触力/接触面积有利于保持界面熔融层和减小能耗。试验结果可为进一步精确模拟界面复杂物理过程提供可靠的参考。

润滑状态下线接触滑动粗糙界面的动摩擦特性研究

滑动粗糙界面的摩擦润滑特性对界面的润滑设计和润滑状态预测具有重要的理论和实际意义。通过建立不同润滑状态下的滑动粗糙界面模型,基于界面的法向载荷由润滑油膜和粗糙体共同承担的载荷分配思想,采用Greenwood-Williamson统计模型描述粗糙表面形貌,考虑界面润滑的时变效应和润滑油的黏-压特性,建立线接触滑动粗糙界面的油膜厚度方程和粗糙体接触压力方程,获得了整个润滑区的润滑油膜载荷比例因子、油膜厚度和摩擦系数随滑动速度的变化关系,推导了界面由混合润滑过渡为液压润滑的临界速度关系表达式,分析了滑动粗糙界面的润滑承载机理,获得了界面油膜厚度、摩擦系数和临界速度随界面形貌参数、法向载荷、润滑油属性参数的变化规律,为机械结构的界面润滑设计、润滑状态预测和润滑优化提供理论和实验参考。

干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型

为揭示干气密封滑动摩擦界面高频微幅自激摩擦振动规律,用分形参数表征摩擦界面形貌特性,根据重新建立的微凸体接触变形方式,以及对非协调弹性体在切向力作用下初始滑动问题的研究,建立了干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型.通过数值对切向接触刚度的影响因素进行了分析,研究结果表明:切向接触刚度随分形维数、真实接触面积和材料特性系数的增大而增大;切向接触刚度随特征尺度、摩擦系数的增大逐渐减小.相比于分形维数、特征尺度和材料特性系数对切向接触刚度的影响,摩擦系数的影响相对较小.这些研究结果为进一步研究干气密封高频微幅自激摩擦振动奠定了基础.

密质骨的滑动界面细观力学模型

本文将粘合线作为骨单元和间板之间的粘弹性界面，建立了密质骨的细观力学模型，并给出了该模型在沿骨的轴线方向载荷作用下的应力响应和某些密质骨的宏观等效模量。还发现骨单元和间板的泊松比之差对密质骨的等效模量和内部横向应力的分布具有重要影响。

滑动界面的球形夹杂问题

滑动界面对多相介质力学性能的影响日益受到重视．但已有的解析结果往往假定界面是自由滑动的．即假设界面上的剪应力为零，这与大多数实际情况并不相符．本文假定界面上剪应力不为零并满足线弹簧型界面条件，在这一前提下，首次获得了球形夹杂本征应变问题的解析解．

泡沫轻质土路堤界面滑动稳定分析方法

泡沫轻质土路堤在既有路基拓宽、陡坡路堤中的应用越来越多。泡沫轻质土路堤可能沿其与普通土的界面滑动。现行规范通常将泡沫轻质土路堤看作重力式挡土墙分析界面滑动稳定性,该方法对台阶形界面难以应用。当泡沫轻质土路堤因不均匀沉降或上部荷载等出现断裂现象时该方法不再适用。泡沫轻质土路堤建议同时采用挡土墙法和剩余下滑力法进行界面滑动稳定分析,并提出相应的计算公式。算例表明。挡土墙法计算的界面滑动安全系数大于剩余下滑力法计算的界面滑动安全系数;界面上设置台阶可显著提高界面滑动稳定性,连续台阶界面滑动稳定性不如断续台阶界面。在界面中下部设置1~2个断续台阶最有利于提高界面滑动稳定性。

多铁性层合材料中的界面滑动——层内开裂的局部阻滑/促滑机制

基于多铁性层合材料界面的传统剪切线弹簧模型和库仑摩擦定律,考虑界面法向应力对界面滑动的影响,提出了一种界面阻滑/促滑模型,运用Green函数法推导了多铁性层合材料层内开裂问题的Cauchy奇异积分方程,获得了界面法向应力和裂纹尖端应力强度因子(Stress Intensity Factor,SIF)的数值解。结果表明:在纯剪切加载的情况下,界面上靠近裂纹的局部区域仍可能出现非零的法向应力,且正、负局部法向应力将分别导致局部促滑、阻滑效应。通过研究界面剪切损伤系数以及摩擦因数对SIF的影响,揭示了多铁性层合材料层内开裂的局部阻滑/促滑机制,为层状多铁性智能器件的防断裂优化设计提供理论参考。

微观凸织构及润湿性对橡胶滑动接触界面摩擦特性的影响

橡胶材料在日常生活和工业发展中有着广泛的应用,现有研究主要针对橡胶材料的黏弹特性、表面改性等方面展开,而固体表面微观织构对橡胶滑动接触界面摩擦特性的影响研究较少。针对橡胶滑动接触界面,在往复式摩擦试验机上以钢球和PDMS橡胶块组成摩擦副进行往复摩擦试验,通过改变织构类型和形貌参数来对不同表面形貌下的橡胶滑动摩擦特性进行相关探究,同时还考虑表面润湿性对界面摩擦因数的影响。试验研究表明:润滑状态下橡胶表面添加适当凸织构会降低滑动摩擦因数,微织构形状、面积占有率、高度和直径对橡胶表面滑动摩擦因数和接触角大小都有影响,尤其对于长槽织构,其摩擦因数和接触角大小呈现出方向性。结合摩擦因数和润湿性规律发现,一定范围内增大凸织构直径,橡胶表面润湿性变好,摩擦因数减小;增大凸织构面积占有率、高度时橡胶表面润湿性变差,摩擦因数反而减小。研究橡胶表面微观凸织构及其诱发的润湿性变化对橡胶滑动接触界面摩擦特性的影响,可为橡胶材料表面的摩擦学设计提供理论基础。

滑动界面球形夹杂对平面压缩波的散射

非理想粘结界面对多相材料力学性能的影响日益受到重视。本文研究了无限各向同性基体中的滑动界面球形单夹杂对平面压缩波的散射问题。夹杂与基体间的界面为非理想粘结界面,在剪应力的作用下将出现界面两侧相对滑移。假定界面相对滑动位移与界面剪应力成正比,在这种线弹簧型滑动界面条件下,通过波函数的级数展开法,获得了夹杂在基体中反射波和折射波以及应力场的解析表达式,并讨论了界面自由滑动和刚性夹杂等特例。

反平面剪切作用下双材料滑动界面的细观力学模型

非理想粘结界面对多相材料力学性能具有重要影响。对于双材料间含众多随机分布微裂纹的界面,宏观上可以等效为连续损伤的弱界面,其两侧的面力连续而位移有间断。只有切线方向的位移间断,而法线方向位移连续的弱界面称之为滑动界面。在反平面剪切的作用下,我们证明了对于含有随机分布微裂纹的弹性双材料界面在宏观上等效为线弹簧型滑动界面,并获得了滑动界面柔度的一般表达式。利用Mori-Tanaka方法和广义自洽方法,我们研究了滑动界面柔度系数和微裂纹密度的关系。对这两种方法所得的结果进行比较发现,Mori-Tanaka方法得到的界面柔度比广义自洽方法得到的界面柔度大。当裂纹密度比较小时,这两种方法求得的界面柔度很接近。两种方法的结果都表明,界面柔度随裂纹密度的增加而增加。Mori-Tanaka方法比广义自洽方法求解更为简便。

界面粘性滑动对纤维复合材料横向剪切变形的影响

研究了扩散控制的界面滑动对纤维复合材料的横向剪切变形行为的影响。基体和纤维为弹性的,而界面滑动速率正比于界面剪应力。作为辅助问题,首先考虑了单根纤维嵌在无限大基体的特殊情形,导出了纤维和基体中随时间变化的应力场。其次,应用平均场方法给出了任意时刻复合材料的总体响应。数值结果表明复合材料的横向剪切模量随着界面滑动的发生将显著减小。

机床地脚低速滑动界面法向刚度分形模型及试验验证

按照一个弹性微凸体的平均接触压强构筑微凸体顶端接触变形。计及动摩擦因数计算微凸体最初屈服的临界平均压强。采用以无阻尼自然角频率为自变量的功率谱密度函数,给出识别界面分形维数、特征长度的理论和试验方法。仿真结果表明:微凸体最初屈服的临界平均压强随着动摩擦因数的增加而变小;分形区域扩展因数随着分形维数的增加而减小;微凸体最大结合面积随着分形维数的增加呈现线性减小;增加动摩擦因数、面积比和特征长度都将衰减法向接触刚度;法向接触刚度随着分形维数、接触面积的比率、法向接触载荷或微凸体最大结合面积的增加而增强。按照有限元模拟对界面法向接触参数识别结果进行证明。考虑界面参数的有限元模型得到的动柔度、法向接触刚度数据与试验数据一致。

光纤岩层滑动传感监测原理及试验研究

将光纤传感技术用于岩层界面滑动损伤监测,是常规的滑坡监测手段无法相比的技术手段。基于光纤微弯损耗机制及光时域反射技术,构建光纤滑动传感监测系统及数据采集,首次提出利用土工大三轴剪切试验手段完成模拟,同时也解决了固体材料滑动瞬间断裂以及光学–力学数据转换极难采集的难题,测得滑距–光损耗对应关系数据及关系曲线。提出将光纤滑动传感监测应用于高边坡滑动监测的典型布置方式。结果表明,光纤传感监测十分敏感,损耗值达30～50 dB,滑动监测光纤的动态范围达3.0～3.5 mm。

N掺杂对Si-DLC薄膜的结构性能影响及摩擦机理研究

采用平板阴极等离子体增强化学气相沉积技术,通过调控N_(2)流量在GCr15基底上制备了系列硅氮共掺杂类金刚石碳基(Si/N-DLC)薄膜,分析探索N掺杂对于Si-DLC薄膜结构、力学性能和摩擦学行为的作用规律以及Si/NDLC薄膜的低摩擦磨损机理.结果表明:N元素的引入促进Si-DLC薄膜中sp^(2)-C结构的形成,降低了薄膜的硬度和弹性模量,但能大幅改善Si-DLC薄膜的韧性并增强结合(>20 N).更重要的是,N掺杂可有效降低Si-DLC薄膜的摩擦系数并改善其耐磨性能,摩擦系数和磨损率相较于Si-DLC薄膜分别降低了约26%和45%.其摩擦机理是类石墨碳(GLC)转移膜的形成使得摩擦界面发生转移,有效降低了Si/N-DLC薄膜的摩擦系数,并且依赖于摩擦界面的石墨化程度和氢含量.而磨损行为取决于其薄膜自身韧性和抵抗弹塑性变形的能力,磨痕内部脆性断裂缺口会造成转移膜的大面积破坏,加剧了黏着磨损.此外,确定了Si/N-DLC薄膜低摩擦(摩擦系数≤0.05)的最佳服役区间,相关结果为Si/N-DLC薄膜的结构性能调控和工程应用提供参考.

平面波在粘滞性界面上的反射特征研究

当介质中存在按照一定方向排列的裂隙时,会在该区域形成接触程度不好的界面.当有地震波传播时,界面两侧的质点不再满足位移连续的条件,位移差与该点的应力有关.从而引起质点间的滑动,形成粘滞性界面.界面的这种特性可以用切向柔量和法向柔量来表示,柔量值越大,界面的接触程度和质点位移的连续性都越差.文中详细推导了平面波在粘滞性界面上的反射和透射系数公式,通过数值算例证明了粘滞性界面上的反射系数与入射波频率有关的性质.并说明了界面的粘滞性会在一定程度上影响到反射波的AVO特性.且当平面P波入射时,法向柔量对反射P波和转换波的影响均大于切向柔量的影响.

弱连接界面地层地震反射波场的正演方法

当介质中存在按照一定方向排列的裂隙时,会形成弱连接界面。地震波传播时,界面两侧的质点不再满足位移的连续性条件,位移差与该点的应力呈线性关系。界面的这种弱连接特性可以用法向柔量和切向柔量来表示,柔量值越大,界面的接触程度和质点位移的连续性就越差。讨论了界面柔量对PP反射波的影响,并通过数值算例说明了法向柔量对反射系数的影响大于切向柔量;建立了基于反射率法的弱连接界面地层地震反射波场正演方法;通过用正演方法合成的(τ,p)域地震记录,讨论了含有弱连接界面模型的波场特征,给出了(τ,p)域波场的动校正方法。模拟试验和动校正结果说明方法正确可行。

界面调控对类金刚石碳基薄膜在甲烷气氛下摩擦学性能的影响

在甲烷气氛下,利用不同材质摩擦副与非晶碳(a-C)基薄膜构成不同的自配副与非自配副摩擦体系,构建出不同的滑动界面,通过研究非晶碳(a-C)基薄膜与不同摩擦副对摩时的摩擦学行为,分析探索滑动界面对体系摩擦学行为的作用机理.结果表明:摩擦副对a-C薄膜的摩擦学行为影响较为明显,主要通过影响滑动界面碳悬键的再杂化形式来引起体系摩擦学行为差异;甲烷解离基团对碳悬键的钝化能够有效降低体系摩擦系数,但过多的钝化形成多聚a-C:H,对体系造成不利影响.研究结果为烃类下提高DLC薄膜的减磨作用提供参考.

裂纹在层状岩石中扩展特征的研究

为研究裂纹在层状岩石中的扩展特征,通过数字图像相关方法观测裂纹在层状岩石中的扩展过程,并通过数值模拟方法研究岩石强度对裂纹在层状岩石中扩展的影响。研究表明,裂纹在层状岩石的扩展过程中,载荷曲线具有双峰值特征,各峰值时刻分别对应于界面层两侧岩石的起裂时刻,峰值大小随岩石强度的增高而升高;界面层破裂及界面滑动,对裂纹扩展具有止裂作用,止裂效果随界面层不含裂纹一侧岩石强度的增高而提高;受界面层破裂和界面滑动的作用,裂尖沿界面层发生迁移,裂纹在层状岩石中的扩展呈非连续性扩展特征。