2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度

通过单调拉伸和循环加卸载试验,研究了平纹编织C/SiC复合材料的损伤演化过程及其应力-应变行为.结果表明,残余应变、卸载模量和外加应力的关系曲线与拉伸应力-应变曲线具有类似的形状.基于剪滞理论和混合率建立了材料的损伤本构关系和强度模型,分析计算表明,残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定,而卸载模量主要由界面脱粘率决定;材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定,横向纤维对材料的整体模量和强度贡献较小.理论模拟结果与试验值吻合较好.

2D-C/SiC缺口试样的拉-拉疲劳损伤

研究了二维正交编织C/SiC双边对称圆弧缺口试样室温和高温真空的拉拉疲劳行为,正弦波疲劳应力比R=0.1,频率60Hz,循环基数106次.循环到规定周次停机,测量试样的共振频率、电阻,并进行SEM观察.结果表明,2D-C/SiC复合材料缺口试样拉-拉疲劳的S-N曲线非常平坦,其疲劳极限是同温度下缺口试样拉伸强度的80%～90%,光滑试样和缺口试样的疲劳极限比值与理论应力集中系数基本相同.缺口试样在疲劳过程中,电阻表征损伤与模量表征损伤的规律基本一致.在疲劳试验初期阶段,缺口附近损伤发展很快,主要表现为产生大量与加载方向垂直的裂纹,随着疲劳次数的增加,损伤发展减缓,但损伤形式逐渐增多,缺口附近与加载方向垂直的裂纹数量明显多于平行加载方向的裂纹数.讨论了电阻表征损伤和模量表征损伤之间的关系.

2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。

分形维数和弹性模量衰减表征2D-C/SiC的拉伸蠕变损伤

真空条件对2D—C／SiC复合材料在1300℃和1500℃进行了高温拉伸蠕变试验，蠕变进行到0、0．5h、2h、10h、25h、50h中断试验，用SEM观察表面形貌，用盒维数法计算试样表面裂纹的分形维数；同时测量试样的弹性模量。结果表明，由于2D—C／SiC特有的蠕变损伤形式，所形成的损伤尺度都较短，其分形维数介于0～1之间。用分形维数和弹性模量衰减都可表征2D—C／SiC的蠕变损伤，两种损伤参量所描述的蠕变损伤总的发展趋势基本一致，即蠕变开始阶段损伤发展较快，随后进入缓慢发展的第二阶段。在第二阶段中，分形维数表征的损伤持续单调增加；而用弹性模量衰减表征的损伤在该阶段出现先下降随后升高的现象。以基体裂纹为主要损伤形式的条件下。分形维数主要反映蠕变试样局部的损伤，而弹性模量衰减反映的是蠕变试样整体的损伤。

2D-C/SiC复合材料的拉伸损伤研究

通过单调拉伸和循环加卸载试验,研究了2D-C/SiC复合材料的力学性能及损伤演化过程。结果表明,残余应变、卸载模量和应力的关系曲线与拉伸应力应变曲线具有类似的形状。基于细观力学建立了材料的损伤本构关系和强度模型,分析计算表明,残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定,而卸载模量主要由界面脱粘率决定;材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定,横向纤维束对材料的整体模量和强度贡献较小。理论模拟结果与试验值吻合较好。

2D-C/SiC缺口试样的拉伸行为

研究了具有双边对称圆弧缺口(试样厚3 mm宽4 mm,缺口半径2 mm,缺口深0.6 mm)的二维正交编织C/SiC试样在室温空气中与高温真空下拉伸行;测量了拉伸过程中的应力、应变、初始模量和电阻;并用SEM观察断口。结果表明,2D-C/SiC材料除室温下缺口试样的拉伸强度低于光滑试样外,高温下两者基本相当,两者都随温度的升高变化也基本一致。高温下缺口试样拉伸强度与光滑试样相当说明,该材料对应力集中不敏感;室温时对应力集中敏感。缺口试样的断裂应变要远小于光滑试样的断裂应变。2D-C/SiC材料缺口试样基体裂纹开裂应力随着试验温度的上升逐渐增加。缺口试样的相当模量高于同一温度下光滑试样的弹性模量,两者都随着试验温度上升而增加,在1 100℃达最大值,然后开始下降。电阻表征的损伤大体上随载荷增加而增加,1 300℃和1 500℃条件下,较小载荷范围内有下降现象。从室温到1 500℃,所有断口中与载荷方向垂直的纤维束断裂面平整,平行于载荷方向的纤维束断面参差不齐。2D-C/SiC复合材料总体上仍属于脆性断裂,局部上有纤维或纤维束内小的纤维集团拔出,吸收了较多的能量,存在增韧机制。

2D-C/SiC复合材料面内剪切性能统计及强度B基准值

针对2D-C/SiC复合材料进行大子样面内剪切实验,研究材料面内剪切模量和强度的分布规律及强度B基准值。运用线性回归结合假设检验的方法,确定2D-C/SiC复合材料面内剪切力学性能的分布规律及参数,对比两种不同经验失效概率得到统计结果;通过观察试样最窄净截面微CT照片及断口电镜扫描照片,解释材料面内剪切强度分散性微观机制,基于分布规律,最终计算得到2D-C/SiC复合材料面内剪切强度威布尔B基准值。结果表明:强度和模量均同时服从威布尔、正态和对数正态分布,且理论模型与实验结果吻合良好,两种经验失效概率不影响力学性能分布规律;面内剪切强度分散性与最窄净截面致密度和界面脱粘长度有关;2D-C/SiC复合材料面内剪切强度威布尔B基准值为80.41MPa。

强噪声载荷下2D-C/SiC复合材料平板失效机理

2D-C/SiC复合材料壁板结构是高超声速飞行器热防护系统的发展方向,高超声速飞行器面临着严酷的力、热、噪声等复杂环境对结构材料性能、结构动力学特性、自动控制等都产生了严重影响。基于自行研制的热噪声试验系统,选取C/SiC薄壁结构试验件,开展噪声为156~165dB的噪声试验,试验后通过红外热成像检测观察整体形貌,采用SEM对裂纹的起始位置和扩展位置的断面进行分析,揭示出强噪声激励下2D-C/SiC平板的失效机理。

2D-C_f/SiC复合材料蠕变断裂及损伤机理研究

研究了2D-C_f/Si C复合材料在空气中,温度分别为700℃和900℃,蠕变应力分别为50MPa、75MPa和100MPa条件下的蠕变断裂及损伤机理。运用拉森-米勒参数法拟合材料的蠕变断裂时间,使用扫描电子显微镜分析其微观组织和断口形貌以进一步揭示其蠕变断裂机理。结果表明:2D-C_f/Si C复合材料的蠕变断裂寿命与温度和应力密切相关,较高温度或应力会降低材料的蠕变断裂寿命;在蠕变过程中,材料除发生应力损伤外,还会发生氧化损伤;2D-C_f/Si C复合材料的氧化损伤比应力损伤对蠕变断裂时间有更显著的影响。

2D-C/SiC高温弹性模量的预测

平纹碳布(正交纤维)经过叠层得到二维纤维预制体,预制体通过化学气相渗透法沉积热解碳界面和SiC基体,得到二维编织碳纤维增强碳化硅复合材料(2D-C/SiC)。将纤维与热解碳层进行一体化考虑,把基体与孔隙进行一体化考虑,分别计算纤维的就位模量和基体的有效模量;考虑基体和纤维的模量随温度的变化,在混合定则的基础上,将横向纤维当作孔隙、将横向纤维当作基体和1/2混合定则对2D-C/SiC进行三种简化,预测2D-C/SiC复合材料在室温和高温下的弹性模量。与试验结果进行比较发现,利用1/2混合定则预测的2D-C/SiC在室温和高温下的弹性模量与试验值最接近。

2D-C/SiC复合材料螺栓连接结构可靠性分析

耐高温C/SiC陶瓷基复合材料因加工制造的复杂工艺,其性能参数存在明显的分散性。为了提高复合材料螺栓连接结构的可靠性建模精度,采用渐进损伤分析方法进行强度分析,采用不含交叉项二次响应面函数进行可靠性分析。采用改进的Hashin失效准则与Ye分层失效准则进行渐进损伤分析,分别对结构纤维与基体采用不同的刚度损伤模型,通过有限元仿真获得螺栓连接结构的拉伸极限承载能力,与试验值之间相对误差较小。将2D-C/SiC复合材料的刚度性能参数与强度参数作为随机变量,采用响应面法拟合结构功能函数,通过分析得到结构在拉伸载荷下的失效概率函数,并分析了各材料力学性能参数的灵敏度,发现面内剪切强度对结构可靠性影响较大。

2D-C/[SiC-(B-C)]复合材料在航空发动机燃烧室中的自愈合行为研究

采用以B-C陶瓷为基体自愈合改性组元的2D-C/[SiC-(B-C)]以及经过硅硼玻璃改性的2D-C/[SiC-(B-C)]制备浮壁瓦片,分别在1000、1200、1350℃下对其进行发动机燃烧室环境考核.对考核后的浮壁瓦片进行取样,并在室温下进行拉伸强度以及三点弯曲强度测试.结果发现:经过环境考核试样的力学性能都有不同程度的提高,拉伸强度和三点弯曲强度随着考核温度的升高而提高,其中三点弯曲强度的升高速率更快.通过SEM观察,B-C自愈合组元氧化生成的玻璃相以及改性硅硼玻璃相在考核过程中有效地封填了试样的孔隙和裂纹.最后通过力学性能测试结合SEM观察,初步分析了两种复合材料在航空发动机燃烧室中的愈合机制.

2D-C/C复合材料结构与性能的研究进展

2D-C/C复合材料是以二维碳纤维为增强体,以化学气相渗透的热解碳或液相浸渍-炭化的树脂碳、沥青碳为基体组成的一种纯碳多相二维结构材料,是一种新型高性能结构功能复合材料,大量运用在航空航天等高新技术领域。目前研究集中于其宏观性能方面,难点在于其组织结构和性能的可控性、可调性。主要介绍了二维碳纤维预制体和针刺碳纤维,基体碳的微观结构和添加剂,纤维/基体界面和界面修饰,以及制备工艺对2D-C/C复合材料性能的影响。结合2D-C/C复合材料的结构特点,概述了2D-C/C复合材料热物理性能、力学性能及氧化烧蚀等行为的各向异性。此外,还展望了其研究发展方向。

弯-弯疲劳加载对2D-C/C复合材料热膨胀性能的影响

研究了2D-C/C复合材料的热膨胀性能以及疲劳加载条件对其热膨胀性能的影响规律,分别进行了应力水平为70%、90%及循环周次为104、5×104、1×105和1.5×105次的弯-弯疲劳试验,并随后测试其热膨胀性能。结果表明,疲劳加载并没有改变其热膨胀性能随温度升高而增大的变化规律,但对比不同疲劳加载条件下2D-C/C复合材料的热膨胀性能,可发现疲劳加载后试样的热膨胀性能随着应力水平和循环周次的增大有降低趋势。经分析认为,这主要是由于疲劳加载过程中产生的各种疲劳损伤所致。

2D-C/C复合材料氧化动力学模型及其氧化机理

用热重法研究了二维炭/炭(2D-C/C)复合材料的等温氧化,提出了氧化动力学模型,用SEM观察了样品不同氧化程度的微观形貌,并探讨了材料的等温氧化机理。氧化分2个阶段:线性氧化阶段,氧化失重率小于约65%,氧化速率处于稳定状态;非线性氧化阶段,氧化失重率约大于65%,氧化速率急剧减小。Arrhenius曲线由折点在800-850℃之间的2条直线组成。线性氧化阶段,活化能分别为217.2 kJ/mol和157.0 kJ/mol;非线性氧化阶段,反应级数分别为0.55和0.65,活化能分别为219.3 kJ/mol和182.0 kJ/mol。通过实验验证,氧化动力学模型可以较好地预测材料的恒温氧化。氧化从炭纤维与基体炭的界面开始,基体氧化快于纤维,氧化后期主要是纤维的氧化。在750-800℃,氧化为化学反应控制;在850-905℃,氧化由化学反应和气体扩散共同控制,但非线性氧化阶段气体扩散对氧化的贡献小于线性氧化阶段。

2D-C/SiC复合材料开孔试件拉伸特性和失效分析

通过对2D-C/SiC复合材料4mm和6mm开孔试件进行拉伸试验,研究了开孔试件的拉伸特性和失效模式,与标准试件拉伸试验结果比较获得了开孔尺寸对试件强度的影响。相比于标准拉伸试件,4mm和6mm开孔试件的拉伸强度分别减小了1.0%和6.6%。通过在开孔试件不同位置粘贴应变片,获得了试件在拉伸过程中最小净截面上的应变变化规律,直观地体现了试件拉伸过程中的应变集中现象,并通过有限元对开孔试件的应变分布进行模拟,模拟结果与试验值吻合较好;通过在试件表面粘贴声发射探头,获得了拉伸过程中试件材料的损伤参量变化规律,反映了试件的宏观损伤演化规律,并结合试件断口照片分析了开孔试件的失效行为。

致密工艺对炭布增强2D-C/C复合材料力学性能的影响

研究了液相浸渍及化学气相法致密工艺对二维炭 炭 (2D C C)复合材料力学性能的影响 ,尤其是对层间剪切强度 (ILSS)的影响。结果表明 :液相浸渍法增密周期短且致密效果好 ,但材料强度不高 ;而化学气相沉积(CVD)致密周期长 ,但材料层剪强度高 ;采用两种工艺联合致密 ,材料界面结合强度适中 。

2D-C/SiC复合材料面内剪切强度分布研究

基于2D-C/SiC复合材料面内剪切强度实验数据,以双参数Weibull分布为假设分布模型,采用线性回归法进行参数估计,结合Kolmogorov非参数检验,针对2D-C/SiC复合材料面内剪切强度分布规律进行研究。结果表明:2D-C/SiC复合材料面内剪切强度服从双参数Weibull分布,利用双参数Weibull分布预测2D-C/SiC复合材料面内剪切强度与实验值吻合较好。

2D-C/SiC复合材料轴向加载泊松效应

基于单调和循环加卸载实验,测试获得了不同加载过程中2D-C/SiC复合材料在纤维束轴向方向上的泊松曲线,并对比分析了轴向损伤演化进程对材料泊松效应的影响。结果表明,在拉伸损伤加剧过程中,材料表现出显著的负泊松比行为;在加载损伤停滞状态下,材料则表现为近似线性正泊松比行为。加载过程中材料的泊松效应随着损伤程度的增加而不断减弱。结合扫描电镜断口结果分析可知,拉伸损伤加剧过程中材料内部沿加载方向上不断产生的基体开裂和界面脱粘损伤引起的材料沿垂直加载方向上的伸长变形,大于并掩盖了拉伸载荷在垂直加载方向上引起的弹性收缩变形,是导致2D-C/SiC复合材料表现出显著负泊松比行为的主要原因;加载损伤加剧过程中产生的大量开裂损伤导致的材料整体连续性的降低是导致其泊松效应不断减弱的主要影响机制。

2D-CDU联合血清CA125、CA19-9水平检测对卵巢癌患者诊断效能的影响

目的研究二维彩色多普勒超声(2D-CDU)联合血清CA125、CA19-9水平检测对卵巢癌患者诊断效能的影响。方法选取我院2015年2月~2017年5月卵巢肿瘤患者106例为观察组,其中良性卵巢肿瘤51例为A组,恶性卵巢肿瘤55例为B组,另选同期健康体检者102例为对照组。三组均行2D-CDU及血清CA125、CA19-9水平检测。比较三组血清CA125、CA19-9水平,分析2D-CDU、血清CA125、CA19-9水平单一检测及联合检测卵巢癌的诊断价值[诊断准确率(ACC)、灵敏度(SEN)、特异度(SPE)]。结果经单因素方差分析,三组CA125、CA19-9水平比较,差异有统计学意义(P<0.05);两两比较,A组CA125、CA19-9水平高于对照组,B组血清CA125、CA19-9水平高于A组,差异有统计学意义(P<0.05);三者联合检测ACC、SEN(90.56%、91.76%)高于2D-CDU(82.08%、85.88%)、CA125(85.85%、87.06%)、CA19-9(40.57%、32.94%),差异有统计学意义(P<0.05);结论血清CA125、CA19-9水平在卵巢癌中异常高表达,联合2D-CDU可明确良性卵巢肿瘤与恶性卵巢肿瘤,提高诊断准确率。