连续纤维增强金属基复合材料的研制进展及关键问题

介绍连续纤维增强金属基复合材料的种类及其在航空航天领域的应用情况,并对连续纤维增强金属基复合材料研制过程中的难点和热点问题进行归纳和总结,对关键技术问题提出相应的研究方法和思路。纤维与金属基体间的界面问题是其研究与应用的最主要问题,可以从纤维的表面改性、纤维与基体的相容性和润湿性、界面反应、界面强度等方面入手,结合各种复合材料制备工艺的特点,解决界面薄弱性问题;另外加强复合材料损伤机理的研究,建立其损伤评价体系,可以为其实际应用提供参考依据;先进的加工成型和连接技术,可以降低复合材料零件的制造成本,确保零件质量,是复合材料产业化应用的重要保证。

高温下短纤维增强金属基复合材料界面的微观结构和热残余应力状态研究

利用透射电镜观察了 δ- Al2 O3短纤维增强 Al- 5 .5 Mg合金复合材料界面在不同环境温度下的微观结构特征。同时 ,基于该类复合材料的单纤维模型 ,利用弹塑性有限元分析方法 ,研究了在不同温度下界面热残余应力的大小和分布情况 ,并讨论了热残余应力对界面行为的影响。最后 ,讨论了界面的微观结构和热残余应力特征对复合材料整体性能的影响。研究表明 ,不同环境温度下 ,界面具有不同的微观结构和热残余应力特征 ,这些特征的变化将引起复合材料整体性能的明显变化。

纤维增强金属基复合材料热机械疲劳模型的研究进展

中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂国家重点实验室，沈阳 １１００１５摘 要 纤维增强金属基复合材料的热机械疲劳（ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆａｔｉｇｕｅ简称ＴＭＦ）特性的研究在近年受到高度重视．本文根据国内外近期进行的理论研究以及获得的主要成果作一概要介绍．对于热机械循环特性，主要介绍基于细观力学方法的轴向性质模型，以及基于断裂与损伤理论的横向性质模型．对于热机械疲劳性能研究，结合横向性质导出两种热机械疲劳模型，然后分析基体的细观结构对疲劳寿命的影响．

纤维增强金属基复合材料层板热/机械疲劳性能试验研究

进行了B/Al层板250～350℃温度循环范围内的同相位、反相位的热/机械疲劳寿命试验以及250℃和350℃下的等温疲劳试验与宏微观分析研究。结果表明:同相位与反相位的热/机械疲劳S-N曲线出现相交,以交点做应力水平线FPF,在FPF以上,同相位的热/机械疲劳(TMF)比反相位的要短;而在FPF以下,同相位的TMF寿命比反相位的要长;无论是同相位,还是反相位的TMF寿命,均低于250℃和350℃下的等温疲劳寿命;疲劳裂纹起源于纤维与基体界面,并随着基体的横向开裂而扩展,但最终的疲劳损伤机理不仅取决于应力水平,还取决于试验环境条件;纤维与基体之间界面反应区在TMF的损伤扩展方面起了主要作用。

纤维增强金属基复合材料细观几何结构对宏观弹性性能的影响

基于复合材料宏、细观场量之间的联系 ,建立了一种纤维增强复合材料宏—细观力学模型。该模型建立起了宏观与细观应力、应变场量之间的联系 ,获得了宏观应力—应变关系 ,试验及理论计算表明 ,该模型能够较好地预测复合材料宏观弹性性能。

热机械循环载荷下短纤维增强金属基复合材料性能分析

从复合材料内部组分的细观力学关系入手,选取代表体积元,基于Eshelby椭圆夹杂理论和瞬时体积平均的概念,通过集中张量描述纤维与基体以及纤维与纤维间的相互作用,并把在弹性范围内得到的各集中张量推广到弹塑性范围内,建立能够在弹塑性范围内分析热机械循环载荷作用下短纤维增强金属基复合材料的性质的模型。为了接近工程实际,假设纤维始终保持线弹性,对基体材料采用能反映bauschinger效应的混合硬化模型,依据基体的弹塑性状态决定复合材料整体的弹塑性状态。在塑性范围内,从各向异性的角度出发,采用增量法迭代得出每个加载步结束时复合材料整体以及各相的应力应变增量。编写控制应变和温度加载条件下,计算复合材料应力应变响应的程序,着重讨论纤维的外形、空间分布、体积百分比以及温度载荷对复合材料宏观性质的影响,并与相关的实验结果和数值结果进行比较。

短纤维增强金属基复合材料微屈服行为的计算机模拟

本文采用细观力学模型 ,根据Eshelby等效夹杂原理和双夹杂模型等 ,用计算机模拟的方法定量计算了短纤维增强金属基复合材料微屈服行为规律。计算结果表明在基体材料的微屈服规律符合Brown Lukens线性规律的情况下 ,金属基复合材料的σ - <εp>1 2 也近似符合Brown Lukens规律。同时计算了增强体短纤维的含量、形状。

浸渗铸造纤维增强金属基复合材料及界面反应

讨论了纤维增强金属基复合材料的浸渗铸造,重点从浸渗机理与工艺方法的关系角度讨论了浸渗工艺类型及对复合材料组织性能的影响。并对常用的碳及氧化铝纤维增强复合材料结构相(其中包括纤维本身结构的纳米组元及反应产物中的新生相)进行了讨论。由于反应相的形成条件、形成区域不同,对复合材料性能的影响也不同。另外还讨论了其它组元如SiO_2对反应相形成的作用。

纤维增强金属基复合材料热机械循环加载力学模型

着重论述考虑涂层效应的纤维增强金属基复合材料的热机械加载细观力学模型。在假设基底金属为粘塑性材料 ,纤维与涂层为横观各向同性弹性材料的前提下 ,从复合材料内部组分的细观力学关系入手 ,利用平均应力应变的概念 ,分析材料在热机械载荷作用下的应力应变关系。针对金属基底的粘塑性特性 ,选择Bodner Partom模型作为金属的基本本构关系 。

纤维增强金属基复合材料的应力集中及力学性能

本文提出了一种多裂纹模型，用此模型可以分析复合材料中的应力集中、界面脱粘、基体屈服及裂纹间交互作用，分析结果表明，在纤维中存在着较高的应力集中．基体屈服及反应层中裂纹密度增加都促进应力集中，而界面脱粘则使应力集中松驰．对于涂ＳｉＣ涂层的Ｃ／Ａｌ复合材料，最佳界面结合强度在１００—３００ＭＰａ之间．

制备纤维增强金属基复合材料的方法

本发明公开了一种制备纤维增强金属基复合材料的方法。该方法基于电化学沉积原理，纤维被电沉积的金属俘获，形成纤维增强金属基复合材料。金属作为基体，可以是镍、铜等。纤维作为增强体，既可选用长纤维，也可选用短纤维。采用该方法制备的纤维增强金属基复合材料的尺寸稳定性、导电导热性和力学性能等均较好。

金属基复合材料的研究现状与发展

对金属基复合材料的分类、制造方法进行综述 ,阐述国内外研究现状 ,提出在重金属复合材料的研究中存在的问题 ,探讨对重金属基复合材料的研究方向。

金属基复合材料热机械疲劳加载模型的数值解法和应用

论述考虑涂层效应的纤维增强金属基复合材料的热机械加载模型的数值解法和工程应用实例。热机械加载三层细观力学模型归纳为一阶常微分方程组的初值问题 ,在考虑数值求解的方法时采用经典的 4阶Runge Kutta法。对细观模型层间应力分配系数的确定 ,进行详细讨论。选择常用的铝基复合材料 ,计算其在温度循环和机械应变循环同相位和反相位两种情况下材料总体和各组分的力学响应。

纤维增强复合材料低压涡轮轴强度分析设计

研究连续纤维增强复合材料低压涡轮轴结构在扭转载荷作用下的静强度分析设计问题。以Ti-6-4/SC6为有限元模型结构材料,以复合材料层合板理论为基本力学理论基础,以蔡-吴强度失效准则为判定依据。对不同复合材料轴结构进行强度分析及失效判定。以某型航空发动机低压涡轮轴为基础模型进行有限元建模。通过"复材轴"和"分段轴"两种复合材料轴结构模型对复合材料铺层、铺角对轴结构力学性能及强度影响规律进行研究。以"复材轴"模型结构研究±45°与+45°两种普遍铺层方案的优劣,在研究"复材轴"铺层方案的基础上,以±45°铺层方案研究"复材轴"和"分段轴"及传统钛合金轴静强度性能对比。最后从工程实际角度针对"分段轴"给出提高强度的两种措施。

金属基复合材料的发展与研究现状

本文对金属基复合材料的分类、制造方法进行了综述 ,阐述了国内外研究现状 ,提出了在重金属基复合材料的研究中存在的问题 。

金属基复合材料的特点、应用以及复杂的力学问题

纤维增强金属基复合材料本身具有强烈的结构特征,它是一种多相体(基体、增强相或增韧相、界面相等)材料,其性能和损伤破坏规律取决于其组分材料的性质,同时也取决于其细观结构特征。建立复合材料宏观性能同组分性能及其微观结构之间的定量关系,并揭示复合材料结构在一定工作条件下的响应规律和本质,能对复合材料的优化设计、性能评价、安全分析提供必要的理论依据和手段就显得尤为必要。

锌基碳纳米管复合材料的界面特性及增强机理

通过复合电沉积技术制备了锌基碳纳米管复合薄膜。其中,碳纳米管表面的锌沉积层平滑连续,无明显界面缺陷,与其它金属基碳纳米管复合材料相比,这种独特的界面形貌是值得注意的。在对材料变形区的观察中发现,在薄膜变形的过程中,适中的结合强度将允许碳纳米管与基体发生界面脱黏,碳纳米管被拔出基体后桥联在裂纹中。虽然界面结合受到损伤,但是仍然可以有效地传递应力。当裂纹继续扩展,碳纳米管石墨片层开裂,直至完全断裂。同时,这些桥连在裂纹中的碳纳米管趋向于向垂直于裂纹的方向滑移,它们在基体中移动时会对基体造成一定程度的损伤。这些过程都将消耗大量的破断能,从而起到对基体的增强效果。锌基碳纳米管复合薄膜的平均硬度由HV178.3上升至HV493.5。

生态陶瓷、金属复合材料的制备方法

生态陶瓷、金属复合材料的制备方法属于复合材料领域。本发明充分利用天然植物纤维的自然分级结构，采用模板技术，通过各种有机物或者无机物的浸渍和组装以及各个过程工艺控制的措施选择，由天然植物结构制备得到各种有序多孔无机材料——生态陶瓷，并且进一步将生态陶瓷材料与导电或／和导热式／和塑性好的金属材料复合，从而制备出具有网络互穿结构的生态陶瓷、金属复合材料。本发明拓宽了增强相的选择范围，提出了新的增强结构和方式，拓宽了复合材料研究领域和应用范围，获得完全新型结构的复合材料，既具备了常规金属基复合材料的优点，又具备了连续纤维增强金属基复合材料的特征，进一步解决常规复合材料的可靠性问题，提高了复合材料的综合性能。

复合材料轴结构力学性能预测及铺层方案设计

针对连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学性能预测问题,考虑纤维呈四边形和六角形两种周期性排列方式,基于细观力学有限元方法,建立六种代表体积元(RVE)模型,计算该材料的宏观力学性能参数,并与已有的三种细观力学模型计算结果进行对比分析。在此基础上,以低压涡轮轴为研究对象,将选定的RVE模型预测所得的宏观力学性能参数应用于该纤维增强复合材料轴结构的铺层方案设计中,利用数值模拟方法计算该轴结构在给定弯矩、扭矩作用下的变形量和应力,并分析铺层角度、厚度及铺层顺序对轴结构抗弯、抗扭性能的影响规律。研究发现纤维按某种特定的铺层角度组合铺设,可有效提高轴结构的抗弯、抗扭性能,通过计算分析提出了铺层设计方案。

挤压铸造制备C_F/ZL109复合材料及其组织观察

采用挤压铸造制备碳纤维增强ZL109复合材料,SEM观察预处理前后的碳纤维以及碳纤维预制件的形貌,金相显微镜观察纤维在复合材料中的分布。结果表明:预处理使碳纤维长径比满足制备合格预制件的要求,并有利于纤维在预制件中的均匀分散及预制件的成型;模压预制件纤维分布均匀,表面无团聚,碳纤维无氧化;挤压铸造制备的CF/ZL109复合材料中纤维在基体中分布均匀,并具有方向性。