基于三維結(jié)構(gòu)演化表征的復合材料損傷機制研究.pdf

1、人工制造復合材料和自然界中生物復合材料由于具有優(yōu)異力學性能而為力學家和材料科學家所廣泛關(guān)注。復合材料這種優(yōu)異性能與其微結(jié)構(gòu)組織形態(tài)、分布、以及它們之間的相互作用密切相聯(lián)。因此，研究復合材料三維微結(jié)構(gòu)在載荷作用下的演化過程以及相互作用機理，對于深入認識復合材料的損傷機制和力學性能分析，進而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計具有重要的理論意義和工程應用價值。本文針對具有簡單結(jié)構(gòu)的單纖維復合材料、規(guī)則交錯疊片文石纖維結(jié)構(gòu)的鳳凰螺貝殼和復雜三維隨機結(jié)構(gòu)的短纖維增

2、強復合材料開展了相關(guān)研究工作。通過亞微米分辨率的同步輻射CT實驗，獲得相應材料內(nèi)部三維形貌演化圖像（如孔洞產(chǎn)生、微裂紋萌生、擴展等），數(shù)值化提取真實微結(jié)構(gòu)形貌和微結(jié)構(gòu)變形演化信息，得到與材料力學性能相關(guān)的力學參量，結(jié)合相應的力學模型，分析揭示了復合材料不同三維結(jié)構(gòu)之間的相互作用機理以及孔洞、微裂紋等萌生、擴展、演化的損傷機制。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　一、提出了應變集中累積誘導的微裂紋萌生機制以及纖維界面變形局部化的遠

3、程損傷機制。
　　1)開展了單纖維復合材料損傷演化的同步輻射CT實驗研究，獲得了微裂紋萌生、擴展和破壞過程中的三維形貌及變形演化圖像，觀察到了裂紋萌生前基體內(nèi)部局部大變形現(xiàn)象，據(jù)此提出了應變集中累積誘導的微裂紋萌生機制。
　　2)當裂紋擴展至纖維與基體之間的界面區(qū)域，產(chǎn)生了局部非線性變形現(xiàn)象，提出裂紋尖端影響下的纖維界面變形局部化的遠程損傷機制。
　　二、揭示了交錯疊片文石纖維結(jié)構(gòu)微裂紋路徑偏轉(zhuǎn)的增韌機理。
　　

4、1)實驗獲得了鳳凰螺貝殼中的三維微裂紋形貌演化，觀察到了反“C”型裂紋這一特殊的損傷演化現(xiàn)象，提出了第一級文石纖維結(jié)構(gòu)薄弱層多重開裂增韌機制。
　　2)基于鳳凰螺加載實驗中觀察到的網(wǎng)狀裂紋形貌，提出了第二級文石纖維結(jié)構(gòu)橋接裂紋面增韌機制。
　　三、研究了短纖維復合材料的微損傷過程的關(guān)鍵機制，提出了“纖維端部聚集引發(fā)孔洞連通”的裂紋萌生模式。
　　1)基于SR-CT實驗觀察到纖維端部與孔洞之間的接觸關(guān)系，提出剪應力集中導