三維機織陶瓷基復合材料力學行為研究.pdf

1、傾斜內(nèi)鎖型三維機織陶瓷基復合材料在改進層間斷裂韌性，提高損傷容限等方面具有巨大潛力，材料具有高比強、高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗氧化和低密度等特點，在高推重比航空發(fā)動機，火箭發(fā)動機等領域具有廣闊的應用前景。三維機織物有較強的仿形能力，能夠一次成型具有異形截面的紡織預成型件，這預示著傾斜內(nèi)鎖型三維機織陶瓷基復合材料將有可能在更多的領域得到應用。本文的研究工作主要包括： 1.利用平均化方法，提出了傾斜內(nèi)鎖型三維機織陶瓷基復合材料彈性性

2、能分析的三維細觀力學模型，對材料的彈性性能進行了預測。針對材料的機織結構分別建立了兩種幾何模型，模型考慮了傾斜內(nèi)鎖型三維機織陶瓷基復合材料經(jīng)向纖維束的彎曲和緯向纖維束的平直，纖維束的橫截面形狀和相鄰纖維束之間的空洞以及工藝處理對彈性性能的影響?；趯雍习謇碚摵蛢煞N單胞應變狀態(tài)假設分別對材料的九個彈性常數(shù)進行了推導計算，結果表明兩種方法理論的預測值非常接近。計算結果與實驗值比較吻合，表明所提出的細觀力學模型是合理的，可以為編織陶瓷基復合材

3、料的優(yōu)化設計提供有價值的參考。由于纖維束直桿模型的纖維束波動形式更為接近材料的實際情形，因此纖維束直桿模型預測結果比纖維束曲桿模型更為準確。 2.利用所提出的彈性性能預報模型，分析了材料織物細觀結構參數(shù)對彈性性能的影響。研究了織物幾何結構參數(shù)與孔隙率、纖維體積含量、曲屈率的關系，給出了材料彈性性能隨纖維體積含量、曲屈率以及孔隙率等參量的變化關系。纖維體積含量與編織幾何形狀有關，隨著纖維體積含量的增大，材料的縱向拉伸彈性模量非線性

4、減小，這是因為傾斜內(nèi)鎖型三維機織復合材料獨特的機織結構，纖維體積含量增大的同時加劇了纖維束的彎曲程度，減小了經(jīng)向纖維束在縱向上的分量，因此材料的縱向拉伸模量減小。通過預測結果與實驗值的比較發(fā)現(xiàn)工藝處理對陶瓷基復合材料彈性性能影響不大，而纖維束內(nèi)部孔隙對纖維增強陶瓷基復合材料彈性性能影響是不可忽視的。通過分析認為材料的彈性性能主要受織物細觀紡織結構和纖維束復合材料混合律的影響，可以調(diào)整織物的細觀結構參數(shù)以滿足不同設計要求。 3.通

5、過傾斜內(nèi)鎖型三維機織C/SiC復合材料材料的力學性能的試驗，研究了材料的基本力學性能和破壞模式?？梢园l(fā)現(xiàn)材料在縱向和橫向拉伸載荷作用下表現(xiàn)出明顯的非線性力學行為，應力應變曲線在高應力狀態(tài)下出現(xiàn)上揚現(xiàn)象，初步認為這是材料內(nèi)部纖維束損傷演化和機織結構演化共同作用的結果。材料在縱向和橫向壓縮載荷下，當應力低于強度的90﹪時應力應變曲線表現(xiàn)為線性，當應力超過強度的90﹪時材料的應變迅速增大。縱向和橫向壓縮的強度和線性段的模量有所不同，縱向壓縮強

6、度低于橫向壓縮強度，而縱向壓縮模量高于橫向壓縮模量。縱向壓縮破壞角度即為縱向纖維束平直段的傾角，而橫向壓縮與縱向纖維束在空間的排列有關。 4.基于試驗結果，研究了材料的拉伸和剪切損傷演化過程，給出了材料在單一載荷下的應力應變關系。通過分析發(fā)現(xiàn)，材料的縱向拉伸和橫向拉伸具有非常相似的損傷演化過程。材料的損傷速度隨著拉伸應力的增大而增大，損傷為雙線性增加，呈現(xiàn)先快后慢的趨勢。應力應變的預測曲線與試驗結果比較一致。通過對材料兩個剪切方