SiC纖維增強復(fù)合材料界面破壞與失效機理的研究.pdf

1、界面的破壞與失效是考察纖維增強復(fù)合材料產(chǎn)生增韌效應(yīng)的關(guān)鍵力學(xué)問題。本文主要研究了SiC/Ti-Al復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料的基體裂紋沿界面的偏移、纖維橋聯(lián)增韌機理?？疾炝私缑鏀嗔烟匦缘睦w維拔出、多纖維/基體復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變特性和拉伸強度、單纖維斷裂后引起的相鄰纖維中的應(yīng)力集中、隨機纖維橋聯(lián)疲勞壽命和可靠性等問題。具體研究成果如下： （1）建立基體裂紋偏移／穿透有限元模型，并分析了相對裂紋擴展長度、材料參數(shù)、纖維體積分?jǐn)?shù)對

2、相對能量釋放率的影響：給出了廣泛使用的SiC／Ti-Al復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料最有利于基體裂紋偏移的彈性參數(shù)：并指出了含有纖維碳涂層時的優(yōu)缺點。基于有限元結(jié)果和能量偏移準(zhǔn)則，有效地評估了界面斷裂韌性。 （2）提出的橋聯(lián)本構(gòu)函數(shù)反映了橋聯(lián)應(yīng)力和基體裂紋展開位移之間無窮階的非線性關(guān)系，且解釋了橋聯(lián)本構(gòu)關(guān)系的上升和下降部分及其比率關(guān)系。通過計算橋聯(lián)阻抗曲線，驗證了纖維橋聯(lián)中出現(xiàn)穩(wěn)定基體裂紋增長階段的物理特性；通過計算橋聯(lián)載荷隨基體裂

3、紋長度的分布，證明橋聯(lián)效應(yīng)是纖維增強復(fù)合材料中主導(dǎo)的增韌機理；通過計算外載荷和載荷點位移的關(guān)系曲線，解釋了從纖維橋聯(lián)、纖維失效到纖維拔出的轉(zhuǎn)換過程。 （3）界面分離能釋放率隨界面分離長度的增加而減小。隨分離界面摩擦應(yīng)力的增加，纖維和基體剪切效應(yīng)以及泊松效應(yīng)抑制界面失效的能力增強，這是按剪滯理論所無法獲得的結(jié)果。由纖維／基體熱失配引起的熱殘余應(yīng)力有利于抑制界面的失效。橋聯(lián)本構(gòu)關(guān)系的冪指數(shù)n＝0.5只適合于低摩擦應(yīng)力和低界面斷裂韌性

4、的弱界面。 （4）本文建立的有限元模型較好地模擬了復(fù)合材料拉伸破壞失效的過程，包括實時的界面分離和纖維斷裂。GLS和HVDP模型在一定程度上低估了斷裂纖維附近完整纖維中的應(yīng)力集中。同時，由于熱處理引起的熱殘余溫度能改善復(fù)合材料的拉伸特性，進(jìn)而提高復(fù)合材料最終拉伸強度。 （5）在隨機循環(huán)應(yīng)力作用下，提出纖維橋聯(lián)基體裂紋擴展的首次穿越擴散過程模型。證實了裂紋擴展尺寸對纖維橋聯(lián)疲勞壽命和可靠性的影響。隨基體裂紋擴展疲勞壽命和可