(1)纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究
纤维增强聚合物基复合材料的界面研究进展

综 述纤维增强聚合物基复合材料的界面研究进展陈 平 于 祺 路 春(大连理工大学化工学院,116012)摘 要 本文较系统的综述了国内外增强树脂用玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维表面处理的方法,对各种改性技术的特点进行了评述,并指出了其进一步的发展趋势。
关键词 玻纤,碳纤,芳纶,表面处理,界面Advance in the Study of Interface of Fiber Rein forced P olymer Matrix C ompositesChen Ping Y u Qi Lu Chun(C ollege of Chemical Engineering,Dalian University of T echnology,China,116012)ABSTRACT The sur face treating methods of G F,CF and AF used in resin matrix are summarized in this paper.The character2 istics of these methods and their further development are als o discussed.KEY WORDS G lass fiber,Carbon fiber,Aramid fiber,Sur face m odification,Inter face1 前 言界面是复合材料极为重要的微观结构,它作为增强体与基体连接的“桥梁”,对复合材料的物理机械性能有至关重要的影响。
随着对复合材料界面结构及优化设计研究的不断深入,研究材料的界面力学行为与破坏机理是当代材料科学、力学、物理学的前沿课题之一。
复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成,各自都有其独特的结构、性能与作用,增强相主要起承载作用,基体相主要起连接增强相和传载作用,界面是增强相和基体相连接的桥梁,同时是应力的传递者。
连续SiC纤维增强Ti基复合材料中的残余热应力

连续SiC纤维增强Ti基复合材料中的残余热应力李建康;杨延清;罗贤;原梅妮;李丽丽;张立武【期刊名称】《稀有金属材料与工程》【年(卷),期】2008(37)4【摘要】提出了用"残余应变不平衡法"来检测SiCf/Ti基复合材料的残余热应力。
即在复合材料中单边多加入基体合金而形成层状材料,冷却中因残余热应变不平衡而产生弯曲,测量弯曲变形量,计算复合层间的热应力和应变,得出产生残余热应力的起始温度为704℃。
采用Schapery模型计算不同温度下SiCf体积分数为35%的SiCf/Ti6Al4V复合材料热膨胀系数,获得了SiCf/Ti6Al4V复合材料中Ti6Al4V基体和SiC纤维中的平均残余热应力分别为349MPa和648MPa。
【总页数】4页(P621-624)【关键词】钛基复合材料;弯曲变形;热膨胀;残余热应力【作者】李建康;杨延清;罗贤;原梅妮;李丽丽;张立武【作者单位】西北工业大学;西安航天动力机械厂【正文语种】中文【中图分类】TB333;TG146.23【相关文献】1.SiC/Ti基复合材料中纤维排布方式对残余热应力的影响 [J], 马志军;杨延清;朱艳;陈彦2.连续SiC纤维增强Ti3Al基复合材料力学性能研究 [J], 赵冰;侯红亮;李志强;廖金华;曲海涛3.连续SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料的制备和界面行为 [J], 蔺春发;韩雨蔷;袁丁;果春焕;常云鹏;姜风春4.航空用连续SiC纤维增强Ti基复合材料制备的实验方法 [J], 张国庆; 阮士峰5.连续SiC纤维增强Ti基复合材料中的纵向残余热应力分析 [J], 李建康;杨延清;罗贤;原梅妮因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
SiC纤维增强Ti-22Al-26Nb复合材料的界面优化及残余应力研究的开题报告

SiC纤维增强Ti-22Al-26Nb复合材料的界面优化及残余应力研究的开题报告一、选题背景和意义随着航空航天业的发展,对于高性能、耐高温、耐腐蚀、轻质化材料的需求越来越大,而Sic纤维增强钛基复合材料具有高温强度、优异的耐热和抗氧化能力、低密度等优点,在航空航天等领域有广泛的应用前景。
在Sic纤维增强钛基复合材料的制备过程中,往往需要考虑陶瓷、金属和纤维等材料的力学和热学性能之间的匹配程度,特别是在增强纤维和金属基体界面上存在的残余应力问题,影响着复合材料的性能和寿命。
本课题的研究内容是基于Ti-22Al-26Nb复合材料,采用Sic纤维增强,利用界面优化技术和残余应力研究方法,对复合材料的力学性能和结构稳定性进行研究,旨在为探索高性能、高稳定性的复合材料提供理论和技术支持。
二、研究内容和方案1. 复合材料制备本课题将采用真空感应熔炼-等轴凝固工艺制备Sic纤维增强Ti-22Al-26Nb复合材料。
优化工艺参数,通过表面化学处理、表面涂层和真空干燥等工艺方法降低增强纤维与金属基体之间的残余应力,并提高界面结合强度。
2. 材料组织结构表征采用光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等手段对复合材料的微观结构进行表征,分析增强纤维与基体之间的结合情况及其对残余应力的影响。
3. 界面优化与残余应力测量采用X射线衍射仪和拉曼光谱仪等技术对复合材料界面的晶体结构和相变行为进行研究,分析界面调控对材料力学性能的影响。
同时,利用同步辐射X射线和中子散射仪等现代表征方法,测量复合材料中的残余应力场分布,分析应力分布规律、应力与力学性能之间的关系。
4. 材料力学性能测试采用万能试验机、动态机械分析仪等设备对复合材料的力学性能进行测试,包括拉伸、压缩、剪切和疲劳等测试,探究界面优化和残余应力对材料力学性能的影响。
三、预期结果和意义通过界面优化和残余应力控制等手段,制备出高稳定性、高强度的Sic纤维增强Ti-22Al-26Nb复合材料,并深入分析其微观结构、晶体结构、应力场分布和力学性能,揭示增强纤维与基体之间的相互作用规律,提高复合材料的力学性能、耐腐蚀性和寿命,为高性能复合材料的研究和制备提供理论和技术基础。
纤维增强热塑性树脂基复合材料界面研究进展

材 料 科 学 与 工 艺
Vol115 No15
MATER IALS SC IENCE & TECHNOLOGY
Oct. , 2007
纤维增强热塑性树脂基复合材料界面研究进展
陈 平 ,陆 春 ,于 祺 ,李俊燕
(大连理工大学 化工学院 ,辽宁 大连 116012, E2mail: chenp ing898@ sohu. com )
Advance in study of in terface of f iber re inforced therm opla stic com posite
CHEN Ping, LU Chun, YU Q i, L I Jun2yan
(College of Chem ical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116012, China, E2mail: chenp ing898@ sohu. com )
硅烷偶联剂是在分子中同时具有两种不同的 反应性基团的有机硅化合物 ,其化学结构可用通 式 YRSiX3来表示. X 为可水解性基团 ,通常是烷 氧基 、卤素及酰氧基等 , 能够与无机材料发生化 学反应 ,或吸附在材料表面 ,从而提高树脂与无机 材料的亲和性. Y 代表可与聚合物进行反应的有 机官能团 ,如乙烯基 、氨基 、环氧基 、甲基丙烯酸基 等. 因此 ,通过硅烷偶联剂能使两种不同性质的材 料很好地“偶联 ”起来 ,即形成无机相 - 硅烷偶联
气相争谱 ,小角 X射线衍射 ( SAXS) ,激光拉曼光谱 ,扫描电镜 ( SEM ) , 透射电镜 ( TEM ) ,扫描遂道显微镜 ( STM ) ,原子力显微镜 (AFM )等
纤维增强铝基复合材料热残余应力细观力学模型

第21卷 第1期航 空 材 料 学 报Vol.21,N o.1 2001年3月JOU RN AL O F AERONA U T ICAL M AT ERIA LS M arch2001纤维增强铝基复合材料热残余应力细观力学模型牛莉莎,胡齐阳,施惠基(清华大学工程力学系,100084北京)摘要:从复合材料内部组分的细观力学关系入手,建立了基底/涂层/纤维三层力学模型。
该核型能够分析有涂层的连续纤维增强金属基复合材料在温度和机械载荷同时变化下的应力应变关系,并可用于计算铝基复合材料的制造热残余应力状态。
算例分析表明:涂层的物理性能对复合材料的整体力学性能有很大影响。
在涂层上,有些残余应力分量远高于基底和纤维处的状况。
涂层的弹性模量不同,对材料的横向应力影响最大。
关键词:纤维增强铝基复合材料;涂层效应;粘塑性;残余应力中图分类号:T B331 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2001)01-0036-07随着航空航天工业的发展,金属基复合材料以其卓越的热机械性能得到了广泛的应用,特别是在一些对温度与机械受载要求高的高温组件中显得尤为突出,比如航天飞行器中的主承力构件、飞机的整体壁板以及发动机的承力构件等[1,2]。
可是由于这类复合材料加工温度高,工艺复杂,界面反应控制困难,特别是在制造过程中形成界面高残余应力,给材料的使用性能带来不稳定因素。
本文正是以此为工程背景,从细观力学分析的角度对连续纤维增强铝基复合材料的热机械残余应力加以研究。
在以往对此种材料界面残余应力的研究中,往往构造一个两层力学模型,将金属基底和纤维之间考虑成粘结与滑移两种情况,很少研究涂层对残余应力的影响。
然而,一些相关的分析表明,涂层区的受力状态不应忽视,一些复合材料的最大应力出现在涂层处,并且随着纤维与涂层的厚度比的增大而减小,而且涂层与基底和纤维的脱胶与桥联直接相关[3]。
所以有必要对涂层区进行力学分析,关注涂层的引入对于复合材料的粘塑性性能和界面残余应力的影响。
纤维增强聚合物基复合材料的低温性能_刘康(GFRP热导率)

2006年第5期 总第153期低 温 工 程CRYOGE N I CSNo 15 2006Sum N o 1153纤维增强聚合物基复合材料的低温性能刘 康 汪荣顺 石玉美 顾安忠(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200030)摘 要:对纤维增强聚合物基复合材料在低温领域的实际应用进行了分类介绍,通过对纤维增强聚合物基复合材料的低温性能、性能影响因素和作用机理、低温应用安全性等方面的研究工作进行总结,突出各类纤维增强聚合物基复合材料低温下的性能优势,阐明了材料性能的不足之处及相应改进措施。
对于实际低温应用中纤维增强聚合物基复合材料的选择、性能设计优化,系统安全性的增强提供了参考作用。
关键词:纤维增强聚合物基复合材料 低温 性能 增强纤维 树脂基体中图分类号:TB64,TB332 文献标识码:A 文章编号:1000-6516(2006)05-0035-10收稿日期:2006-06-08;修订日期:2006-09-24作者简介:刘 康,男,30岁,博士研究生。
C ryogenic perfor m ances of fi bre rei nforced poly m er m atrix co m positesLiu K ang W ang Rongshun ShiYum e i Gu A nzhong(Insti tute of Refri gerati on and C ryogen i c E ngi neeri ng ,Sh anghai Jiaot ong Un i versit y ,Sh anghai 200030,Ch i na)Abstract :The applications o f fi b re rei n forced po ly m erm atri x co m posites (P M C)in cr yogen ic fie l d s are classified and introduced .The cr yogen ic t h er m a l and m echanical perfor m ances o f so m e usual k i n ds o f fibre re i n fo rced P M C are su mm arized and co m pared .The m a i n i n fl u ence factors on the perfor m ances of fi b re re i n -fo rced P MC i n cluding reinforced fi b res and resi n s are ana l y sed .The cryogen ic applicati o n safety o f fibre re -i n fo rced P MC are also d iscussed fro m t w o aspects :m icrocrack i n g i n resi n m a trix and fatigue .It is show ed that t h e toughness ,an iso tropy and per m eab ility to gases are pri m ary shortages of fi b re re i n fo rced P M C for app lications .The i m prove m ent m ethods are presented .The desi g n opti m ization of co m posite can be used to i m pr ove the perfor m ances of fibre re i n forced P MC and expand the app lied range i n cr yogenic fields .K ey w ords :fibre re i n forced poly m er m atri x co m posites (P M C);lo w te m perature ;perfor m ance ;re i n -fo rced fibre ;resin m atrix1 引 言纤维增强聚合物基复合材料是以连续纤维为增强材料、有机聚合物为基体材料,经过一定的复合工艺过程形成的结构复合材料,广泛应用于建筑、交通运输、石化(管道容器)、造船、电气电子、航空航天等领域。
拉曼光谱法测量SiC纤维增强YSZ基复合厚热障涂层残余应力

(许昌学院 表面微纳米材料研究所,河南 许昌 461000)
摘 要:利用拉曼光谱技术测量 SiC纤维增强 YSZ基复合厚热障涂层(TBC)在不锈钢基体 上的残余应力分布.用应力光谱系数在独立的 TBC层上进行校准,实验中所有 TBC系统的系数 ∑ =33.92cm-1Gpa-1.测量显示沿着 TBC厚度方向的应力从基底 /涂层界面到 TBC表面的压 应力逐渐减小,且纤维能有效缓解复合涂层的残余应力.
第 38卷 第 5期 2019年 9月
许昌学院学报 JOURNALOFXUCHANGUNIVERSITY
Vol.38.No.5 Sep.2019
文章编号:1671-9824(2019)05-0082-05
拉曼光谱法测量 SiC纤维增强 YSZ基复合 厚热障涂层残余应力
马榕彬,亢艮雷,蔡 拓,李宗昌
1 实验程序
1.1 样品制备和涂层沉积 将 8wt%Y2O3稳定 ZrO2(YSZ)、NiCoCrAlY和复合粉末(质量比为 7390的非晶 SiO2,Al2O3和
ZrO2粉末)的混合物充分研磨 3h以上,然后将获得的均匀复合粉末用于制备 TBC样品.NiCoCrAlY结合 层(约 150μm)的化学成分(wt%)分别为:Ni,32.0;Co,39.0;Cr,21.0;Al,8.0;其余为 Y.不锈钢基体(约 2.5mm)在使用空气等离子喷涂工艺之前需使用 Al2O3颗粒进行磨光,然后在丙酮中超声清洁 20min,最 后按照中国国家航空工业集团公司 APS-3000的要求,采用 40KW 等离子炬进行喷涂,参数见表 1.
拉曼光谱的测量需要在一个环境空气温度为(297±1)K的环境下进行.测量时使用绿色激光(波长 λ=514.5nm)作为拉曼光谱的激发源,并且该光束从垂直于 TBC层的涂覆方向入射.空间分辨率为横向 1μm,深度 1μm,光谱仪的光谱重复性在测量的拉曼位移范围(600~700cm-1)范围内小于 0.2cm-1.该 设备仅用于这种广泛的测量.据研究,这些峰的起源是 ZrO2的四方相,并且由于高的 S/N比,640cm-1的 峰用于 ZrO2的应力分析;该峰已用于 Y2O3 稳定的 ZrO2 的应力测量[8,9].另外,高 S/N比有助于快速测 量,避免激光照射导致的发热.通过使用计算机曲线拟合和使用高斯函数的 OriginPro8.0软件分析所获得 的拉曼光谱.全 TBC的光谱条件系统与独立喷涂相同.
高强度纤维增强聚合物复合材料疲劳性能研究

高强度纤维增强聚合物复合材料疲劳性能研究摘要:本文旨在研究高强度纤维增强聚合物复合材料在长期疲劳加载下的性能表现。
通过对材料的疲劳寿命、损伤机制和疲劳裂纹扩展等方面的研究,为复合材料的设计和使用提供科学依据。
1.引言高强度纤维增强聚合物复合材料具有轻质、高强度和抗腐蚀等优点,因此在航空航天、汽车制造和建筑工程等领域得到了广泛应用。
然而,复合材料在长时间使用和重复加载的情况下,可能会出现疲劳失效的问题,这对其可靠性和安全性提出了挑战。
2.疲劳寿命疲劳寿命是评估材料在疲劳加载下表现的一个关键参数。
通过对高强度纤维增强聚合物复合材料的实验研究,可以得到其疲劳寿命曲线。
疲劳寿命曲线通常包含初始裂纹扩展阶段、稳定裂纹扩展阶段和快速裂纹扩展阶段。
通过分析这些阶段的特征,可以评估材料的抗疲劳性能和耐久度。
3.损伤机制在疲劳加载过程中,高强度纤维增强聚合物复合材料可能出现各种损伤形式,如纤维断裂、界面剥离和基体疲劳裂纹等。
这些损伤形式的产生和发展将对材料的力学性能和疲劳性能产生影响。
因此,研究损伤机制对于改进复合材料的耐久性能和延长使用寿命具有重要意义。
4.疲劳裂纹扩展疲劳裂纹是指在疲劳加载下,在材料中扩展的裂纹。
研究高强度纤维增强聚合物复合材料中的疲劳裂纹扩展行为,可以揭示其在疲劳加载下的损伤演变规律。
通过建立裂纹扩展速率曲线,可以预测材料的裂纹扩展寿命,并为材料设计和结构寿命评估提供依据。
5.影响因素分析高强度纤维增强聚合物复合材料疲劳性能受多种因素的影响,包括纤维性质、矩阵性质、界面性能以及加载条件等。
研究这些影响因素对于优化材料的耐久性能具有重要意义。
通过调整材料的组成和结构,可以改善其疲劳性能,提高材料的使用寿命。
6.改进措施为了提高高强度纤维增强聚合物复合材料的疲劳性能,可以采取一系列改进措施。
例如,通过纤维表面增加表面处理,提高纤维与基体的黏结强度;通过优化矩阵的成分和固化工艺,提高材料的抗裂纹扩展能力;通过调整复合材料的结构设计,降低应力集中程度,减少损伤的发生和发展。
(1)纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究

纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究赵若飞 周晓东 戴干策(华东理工大学聚合物加工室上海200237)摘要:本文综述了聚合物基纤维复合材料界面残余热应力的形成、测定方法和各种理论分析方法。
阐述了残余应力对界面粘结强度以及复合材料断裂韧性和强度的影响,最后对界面残余应力的控制方法作了评述。
关键词:聚合物基纤维复合材料 残余热应力 界面1 前 言聚合物基纤维复合材料的基体和增强纤维的热膨胀系数存在很大的差异,而复合材料有相当部分是在升温条件下成型的,当温度降低时,由于基体和纤维的体积收缩率不同,会产生热残余应力,热固性树脂在固化过程中发生体积收缩也会形成残余应力。
复合材料的残余应力同时存在于基体、纤维和界面上,基体中的应力会使基体的性质发生变化[1、2],使基体的耐冲击性、疲劳强度、压缩强度等下降,甚至会引起基体的破坏。
纤维中主要存在轴向压缩残余应力,可能引起纤维发生曲折[3]。
界面相的残余应力有径向压缩或拉伸应力、环向拉伸应力和界面剪切应力[4、5],这些应力都会对界面的粘结强度和纤维的脱粘产生重要的影响[6~8]。
界面相残余应力的存在显然严重影响复合材料的宏观性能,因此,人们一直希望能定量测定它,但是界面层的厚度很小,属于微结构(纳米结构),而且界面存在材料的内部,所以难以直接测量残余应力[9]。
纤维和基体中的残余应力则可采用各种实验方法来测定,例如光弹性法[2、10]、Ramman光谱法[11]、纤维总应变法[12]、碳纤维电阻率法[13]、单丝拔除法[14]等,可以通过测定邻近界面的基体或纤维中的残余应力来得到界面残余应力。
另一方面,三十年来发展了有限元分析等各种理论分析方法研究复合材料残余应力[15~21],使人们对界面残余应力有了深入的认识。
近年来热塑性树脂基复合材料得到发展和广泛应用,人们对聚合物基复合材料的界面残余应力的研究越来越重视,这是因为与热固性树脂基复合材料相比,这种热塑性树脂在加工冷却过程中多伴有结晶的形成,与纤维的体积收缩比具有更大的差异[1、22],可能形成较大的界面残余应力。
纤维增强树脂基复合材料界面结合机理研究现状_张莉 (1)

修复了纤维表面的缺陷, 改善了基体与纤维之间的 使纤维与基体的结合力增强, 对外力的抵抗作 界面, 用增加。并发现采用 KH550 处理剂效果比采用沃 兰处理剂效果要稍好, 而增加处理时间对复合材料 力学性能影响不明显。 纤维、 基体以及处理剂之间 表面处理剂可以分别与基体 化学作用占主要因素, 以及玄武岩纤维发生反应, 从而使基体与纤维获得 两者的结合力得到提高, 同时还可 良好的界面粘接, 以有效抵抗水的侵蚀。 傅宏俊等
The Research of Fiber Reinforced Polymer Interface
ZHANG Li,SHEN Shijie
( College of Material Science and Technology,Beijing Forestry University, Beijing 100083 ) ABSTRACT With the use of carbon fiber, glass fiber, basalt fiber as reinforcing material, the research of fiber reinforced Polymer ( FRP) interface was analyzed in this paper,also the main characterization methods such as XPS,IR,and RAMAN,and also,the current issues were mentioned. KEYWORDS fiber reinforced Polymer; interface; XPS; IR; RAMAN
[16 ]
成功地表征了碳纤维复合
研究了 CF 材料和芳纶纤维复合材料的界面性能, 表面经不同的处理后 CF / 聚酰亚胺复合材料的界面 剪切强度。嵇醒等
炭纤维增强环氧树脂基复合材料湿热残余应力的微Raman 光谱测试表征

炭纤维增强环氧树脂基复合材料湿热残余应力的微Raman光谱测试表征黄远*,何芳,万怡灶,王玉林,李刚,高智芳(天津大学材料科学与工程学院,天津市,300072)摘要:采用微Raman光谱仪对炭纤维增强环氧树脂复合材料CF/EP(纤维体积分数为30%)的湿热残余应力进行了研究。
实验结果表明:湿热残余应力能够使炭纤维Raman光谱发生频移,根据频移可对纤维所受湿热残余应力进行表征;选择合适的试验点是复合材料湿热残余应力Raman测试成功的关键;在湿热环境下长期吸湿,纤维所受轴向残余应力由吸湿前的热残余压应力转变成吸湿后的湿热残余拉应力;由吸湿后炭纤维所受湿热残余拉应力减去吸湿前热残余压应力获得的吸湿拉应力非常大,平均为2272MPa,接近所用炭纤维的拉伸强度(2800MPa);适当的加工热残余压应力有利于降低吸湿导致的应力。
关键词:炭纤维/环氧树脂复合材料;湿热残余应力;Raman光谱仪;测试;表征Testing and Characterization of Hygrothermal Stresses in Carbon-fibers Reinforced Epoxy Composites using RamanSpectroscopyHUANG Yuan, HE Fang, WAN Yizao, W ANG Yulin, LI Gang, GAO Zhifang (School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract: The hygrothermal stresses in the composite with fiber volume fraction of 30% were investigated by using micro Raman Spectroscopy. The results show that the Raman wavenumber shift for carbon fibers can be caused by the hygrothermal stresses, which can be used to characterize the hygrothermal stress in the fibers. The selections of the tested points appropriately are the key to success in the hygrothermal stress test with Raman spectroscopy for the composites. The results also show that during the long-term moisture absorption process, the axial residual stresses within the fibers transform from thermal residual compressive stresses before absorption into hygrothermal tensile stresses after absorption. The axial stresses within the fibers induced purely by the absorption can be obtained by using the tensile stresses after absorption minus the compressive stresses before absorption, which is rather high (2272MPa on average) and close to the tensile strength of 2800MPa of the carbon fibers used in this paper.The suitable thermal residual stresses can reduce the moisture induced stresses to some extent.Keywords: Carbon fibers/Epoxy composites; Hygrothermal stress; Raman Spectroscopy; Testing; Characterization 炭纤维增强环氧树脂基复合材料在自然环境中使用或贮存时受湿热因素的影响显著。
高温环境下复合材料的耐热性研究

高温环境下复合材料的耐热性研究在当今科技飞速发展的时代,复合材料凭借其优异的性能在众多领域得到了广泛应用。
然而,在一些高温环境下的应用场景中,复合材料的耐热性成为了关键的性能指标。
高温环境可能导致复合材料的性能下降、结构损坏甚至失效,从而影响其在航空航天、汽车、能源等领域的可靠性和安全性。
因此,深入研究高温环境下复合材料的耐热性具有重要的理论和实际意义。
复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料通过特定的工艺组合而成的新型材料。
常见的复合材料包括纤维增强复合材料(如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料)和颗粒增强复合材料(如碳化硅颗粒增强铝基复合材料)等。
这些复合材料通常具有高强度、高刚度、良好的耐腐蚀性等优点,但在高温环境下,它们的性能可能会受到多种因素的影响。
首先,高温会导致复合材料中的树脂基体发生热降解。
树脂基体在高温下会分解、氧化,从而失去其粘结纤维或颗粒的能力,导致复合材料的强度和刚度下降。
其次,纤维或颗粒与树脂基体之间的界面结合强度也会在高温下降低。
界面是复合材料中传递载荷的关键部位,界面性能的恶化会严重影响复合材料的整体性能。
此外,高温还可能引起复合材料内部的残余应力释放,导致材料变形、开裂。
为了提高复合材料在高温环境下的耐热性,研究人员采取了多种方法。
一种常见的方法是选择具有高热稳定性的树脂基体。
例如,聚酰亚胺、聚苯并咪唑等高性能树脂具有出色的耐热性能,能够在较高温度下保持良好的性能。
同时,对树脂基体进行改性也是一种有效的手段。
通过添加耐热填料(如纳米陶瓷颗粒)、引入交联结构等方式,可以提高树脂基体的热稳定性和热氧稳定性。
对于纤维增强复合材料,选择耐高温的纤维材料至关重要。
碳纤维在高温下具有较好的稳定性,但在有氧环境中容易氧化。
因此,对碳纤维进行表面处理(如涂覆抗氧化涂层)可以提高其在高温下的抗氧化性能。
玻璃纤维的耐热性相对较差,在高温环境下的应用受到限制。
而陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维)具有极高的耐热性,适用于高温环境。
SiCfTC17复合材料界面反应、残余应力及力学性能研究的开题报告

SiCfTC17复合材料界面反应、残余应力及力学性能研究的开题报告题目:SiCfTC17复合材料界面反应、残余应力及力学性能研究一、研究背景及意义SiCfTC17复合材料具有优异的力学性能和高温稳定性,被广泛应用于航空、航天等高端领域。
然而,在高温、高湿等极端环境下,SiCfTC17复合材料往往会出现界面反应和残余应力等问题,从而影响其力学性能和使用寿命。
因此,深入研究SiCfTC17复合材料界面反应、残余应力及力学性能具有重要意义。
本研究将围绕SiCfTC17复合材料的界面反应、残余应力及力学性能展开研究,以期深入理解该复合材料的力学特性及其在极端环境下的稳定性。
二、研究内容与方法本研究将分为以下三个方面进行:1. SiCfTC17复合材料界面反应的研究使用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)等手段对不同温度下的SiCfTC17复合材料进行观测和分析,考察高温、高湿等极端环境下界面反应的情况。
2. SiCfTC17复合材料残余应力的研究利用X射线衍射仪(XRD)和拉伸试验等手段对SiCfTC17复合材料的残余应力进行测试和分析,探究其产生机理及影响因素。
3. SiCfTC17复合材料力学性能的研究通过拉伸、压缩等试验手段,考察SiCfTC17复合材料的力学性能,探究其与界面反应、残余应力等因素之间的关系。
三、预期成果1. 对SiCfTC17复合材料界面反应、残余应力及力学性能的机理进行深入理解,为该材料的应用和改进提供重要依据。
2. 发表相关论文及选题研究成果报告,提升自己的学术水平。
3. 为其他相关领域的研究提供参考和启示。
四、研究的可行性本研究选取的方法和手段均已被广泛应用于材料领域的研究中,并且在原材料的获取、试验设备的使用等方面已有相应的计划和安排,具有可行性。
综合起来,本研究将围绕SiCfTC17复合材料界面反应、残余应力及力学性能进行深入研究,旨在增进对该材料的认识和理解,为其应用和改进提供科学依据和技术支持。
短碳纤维增强橡胶基密封复合材料的热残余应力数值分析

短碳纤维增强橡胶基密封复合材料的热残余应力数值分析张莹;顾伯勤;张斌;宇晓明【摘要】以碳纤维/丁腈橡胶基密封复合材料为对象,采用ABAQUS有限元分析软件,建立含有界面相的三维有限元模型,研究了橡胶基复合材料热残余应力的分布规律.探讨了制备温度、界面相厚度、界面相模量描述方法、纤维体积分数、纤维直径对热残余应力的影响.结果表明:制备温度的变化对纤维和界面相的热残余应力影响较大;界面相厚度对纤维的残余应力的影响比其对自身的影响大;梯度界面有利于降低复合材料的热残余应力;适当提高纤维体积分数和增加纤维直径都有助于改善复合材料热残余应力的分布.【期刊名称】《南京工业大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2015(037)004【总页数】6页(P114-119)【关键词】密封复合材料;热残余应力;界面相;数值分析【作者】张莹;顾伯勤;张斌;宇晓明【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京211800;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京211800;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京211800;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京211800【正文语种】中文【中图分类】TB332纤维增强橡胶基复合材料作为一种新型密封复合材料,已成为密封领域近年来的研究热点之一[1]。
通常情况下,橡胶基复合材料需在150 ℃左右的温度下硫化。
纤维、界面相和基体的热膨胀系数差异很大,当存在温差时就会产生热残余应力,它会导致复合材料界面相超前的脱粘破坏[2-4]。
复合材料中界面相起到连接纤维和基体的“桥梁”作用,它对复合材料的力学性能有直接影响。
因此,深入研究复合材料基体、纤维和界面相中的热残余应力分布规律及其影响因素对密封复合材料的开发和使用性能评价具有重要意义。
樊建平等[5]采用三维柱体单胞模型分析了环氧树脂R368-1/硼纤维复合材料中残余应力的分布,考察了纤维体积分数、温度差和附加界面层对残余应力分布的影响。
单纤维树脂基复合材料界面热残余应力研究

众所周知,纤维增强复合材料一般在较高温度 下加工合成的。由于基体和增强纤维之间热膨胀系
数存在着很大的差异,降温后会在基体和纤维界面 上形成较大残余应力。界面残余应力有径向压缩或
————————————————
收稿日期:2007-10-10;修改日期:2007-12-24 基金项目:国家自然科学基金项目(10662005) 作者简介:赵燕茹(1971―),女,呼和浩特人,副教授,博士生,主要从事纤维复合材料研究(E-mail: zhaoyanru710523@);
τ = Nf sin(2θ ) / 2h
其中:f 为模型材料条纹值;h 为模型厚度;N 为等
差线条纹级数;θ 为等倾角。
数字光弹性法是将光弹性法与计算机图像处 理技术相结合,来自动采集光弹性数据(比, 它可以进一步提高实验速度和精度。本文应用基于 白光平面偏振场的四步彩色相移法和基于单色光 圆偏振场的六步相移法结合来自动化确定全场剪 应力[14―16]。 1.2 模型制作
Abstract: Because of a significant mismatch between the coefficients of the fiber and the matrix in a thermal expansion, the interfacial thermal residual stress in fiber/matrix composites is induced during the course of cooling procedure when composites are made. These residual stresses play an important role in the mechanical properties of composites. The distribution of interfacial thermal residual stress near a straight and a specially designed curve steel fiber was studied in this paper. The interfacial shear stress along the fiber embedded in the length direction was determined using three dimensional photo-elasticity. And these interfacial thermal residual stresses were analyzed by the finite element method (FEM). The results show that the value of the interfacial thermal residual stress reaches its peaks near the end of the embedded fiber in the interface of the single-fiber and the matrix. Key words: fiber-reinforced composites; interface; thermal residual stress; photo-elasticity; FEM
复合材料的热力学性能与性能研究

复合材料的热力学性能与性能研究在当今的材料科学领域,复合材料凭借其卓越的性能和广泛的应用前景,成为了研究的焦点之一。
复合材料的热力学性能对于其在各种环境和工况下的使用表现具有至关重要的影响,深入研究这些性能对于材料的设计、开发和优化具有深远的意义。
复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料通过特定的工艺组合而成。
常见的复合材料包括纤维增强复合材料(如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料)、颗粒增强复合材料(如碳化硅颗粒增强铝基复合材料)以及层状复合材料等。
从热力学的角度来看,复合材料的性能表现受到多种因素的制约。
首先是组成材料的热性能差异。
例如,在纤维增强复合材料中,纤维和基体的热膨胀系数往往不同。
当温度发生变化时,由于热膨胀系数的不匹配,会在纤维与基体的界面处产生热应力。
这种热应力可能会影响复合材料的强度、刚度和耐久性。
热导率也是复合材料热力学性能中的一个关键参数。
不同的组成材料具有不同的热导率,复合材料的热导率通常介于各组成材料之间,并受到其体积分数、分布形态以及界面热阻等因素的影响。
在一些需要高效散热的应用场景,如电子设备的封装材料中,复合材料的热导率对于设备的性能和可靠性起着决定性作用。
复合材料的比热容同样值得关注。
比热容反映了材料吸收热量的能力,对于复合材料在热循环过程中的温度变化和热稳定性有着重要的影响。
在一些特殊的应用中,如航空航天领域,要求材料在极端温度环境下保持性能稳定,对复合材料比热容的准确把握就显得尤为重要。
除了上述基本的热力学参数,复合材料的热力学性能还与其制备工艺密切相关。
不同的制备方法,如手糊成型、模压成型、注塑成型等,会导致复合材料内部的微观结构和界面结合状态有所差异,从而影响其热力学性能。
以碳纤维增强复合材料为例,在制备过程中,碳纤维的表面处理、树脂的固化温度和时间等因素都会对复合材料的热力学性能产生影响。
如果碳纤维表面处理不当,导致纤维与树脂之间的界面结合强度不足,在受热时容易产生界面脱粘,从而降低复合材料的热力学性能。
纤维增韧陶瓷基复合材料的比例极限应力与残余热应力关系

刘善华 , 邱海鹏 , 王 岭 , 陈明伟 , 谢巍杰 , 李宝伟 , 张冰玉 , 梁艳媛 , 焦春荣
( 1 . 中航复合材料有 限责任公 司 技术 发展 部 , 北京 1 0 1 3 0 0 ; 2 . 先进 复合 材料 重点 实验 室 , 北京 1 0 0 0 9 5 )
摘要 : 从 细观力学角度分析并建立 了纤维增韧 陶瓷基复合材料从制备 温度冷却到 室温过程 中产 生的残余热应 力与复 合材料 的比例极 限应力的关 系模 型。该模 型表 明, 减少复合材料的残余热应力或提 高复合材料的纤维与基体 的模量 比, 均
可提 高复合材料 的比例极 限应力。通过单调拉伸 实验测试 了先驱体浸 渍裂 解法( P I P ) 制备 的 2 D S i C / S i C复合材料的 比例
t u r e b y t h e me s o me c h a n i c s v i e w. T h e P L S a n d RT S r e l a t i o n l a mo d e l s h o ws t h a t e i t h e r d e c r e a t h e C F RC MC o r i mp r o — r i n g mo d u l u s r a t i o o f i f b e r t o ma t i r x c o u l d e n h a n c e t h e P L S o f t h e C F RC MC. T h e P L S o f 2 D S i C /S i C c o mp o s i t e s f a b i r c a t e d b y P o l y —
纤维增韧陶瓷基复合材料的比例极限应力与残余热应力关系

纤维增韧陶瓷基复合材料的比例极限应力与残余热应力关系刘善华;邱海鹏;王岭;陈明伟;谢巍杰;李宝伟;张冰玉;梁艳媛;焦春荣【摘要】The relational model between the proportion limit stress ( PLS) of continuous fiber reinforced ceramic matrix com-posites ( CFRCMC) and the residual thermal stress ( RTS) due to cooling down from the fabricating temperature to room tempera-ture by the mesomechanics view.The PLS and RTS relational model shows that either decreasing the RTS in the CFRCMC or impro-ving modulus ratio of fiber to matrix could enhance the PLS of the CFRCMC.The PLS of 2D SiC/SiC composites fabricated by Poly-mer Impregnation Pyrolysis (PIP) process was obtained by the unidirectional tensile test,and the RTS in SiC matrix with a reasona-ble value of-19.5 MPa was calculated by the relational model.In addition,the paper referred to five kinds of CFRCMC systems data reported in published literatures to verify the adaptability and reliability of the paper established PLS and RTS relation model.The results show that the maximum deviation between the calculated results the experimental ones is 18.6%,which means that the PLS and RTS relational model has good adaptability and reliability,and then,it may provide a novel train of thought for the CFRCMC re-search.%从细观力学角度分析并建立了纤维增韧陶瓷基复合材料从制备温度冷却到室温过程中产生的残余热应力与复合材料的比例极限应力的关系模型.该模型表明,减少复合材料的残余热应力或提高复合材料的纤维与基体的模量比,均可提高复合材料的比例极限应力.通过单调拉伸实验测试了先驱体浸渍裂解法(PIP)制备的2D SiC/SiC复合材料的比例极限应力,并采用文中建立的比例极限应力与残余热应力关系模型,计算出复合材料SiC基体的残余热应力为-19.5 MPa.分析表明,该结果是合理的.此外,引用了公开文献报道的5种复合材料体系数据,用于验证文中所建立的比例极限应力与残余热应力关系模型的适应性和可靠性,计算结果与实验结果最大误差为18.6%,表明该模型具有较好的适应性和可靠性,可为纤维增韧陶瓷基复合材料的研究提供新思路.【期刊名称】《固体火箭技术》【年(卷),期】2017(040)005【总页数】6页(P648-652,659)【关键词】陶瓷基体;纤维;复合材料;残余热应力;比例极限应力【作者】刘善华;邱海鹏;王岭;陈明伟;谢巍杰;李宝伟;张冰玉;梁艳媛;焦春荣【作者单位】中航复合材料有限责任公司技术发展部,北京 101300;先进复合材料重点实验室,北京 100095;中航复合材料有限责任公司技术发展部,北京 101300;先进复合材料重点实验室,北京 100095;中航复合材料有限责任公司技术发展部,北京101300;先进复合材料重点实验室,北京 100095;中航复合材料有限责任公司技术发展部,北京 101300;先进复合材料重点实验室,北京 100095;中航复合材料有限责任公司技术发展部,北京 101300;先进复合材料重点实验室,北京 100095;中航复合材料有限责任公司技术发展部,北京 101300;先进复合材料重点实验室,北京100095;中航复合材料有限责任公司技术发展部,北京 101300;先进复合材料重点实验室,北京 100095;中航复合材料有限责任公司技术发展部,北京 101300;先进复合材料重点实验室,北京 100095;中航复合材料有限责任公司技术发展部,北京101300;先进复合材料重点实验室,北京 100095【正文语种】中文【中图分类】V258连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CFRCMC)因具有耐高温、高比强、高比模、抗氧化和抗烧蚀等优异性能,且具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、无灾难性损毁等特点,使其具有接替高温合金作为新一代高温结构材料的潜力,应用范围包括航空、航天飞行器,地面传输、核能以及化工等领域[1-6]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
纤维增强聚合物基复合材料界面残余热应力研究赵若飞 周晓东 戴干策(华东理工大学聚合物加工室上海200237)摘要:本文综述了聚合物基纤维复合材料界面残余热应力的形成、测定方法和各种理论分析方法。
阐述了残余应力对界面粘结强度以及复合材料断裂韧性和强度的影响,最后对界面残余应力的控制方法作了评述。
关键词:聚合物基纤维复合材料 残余热应力 界面1 前 言聚合物基纤维复合材料的基体和增强纤维的热膨胀系数存在很大的差异,而复合材料有相当部分是在升温条件下成型的,当温度降低时,由于基体和纤维的体积收缩率不同,会产生热残余应力,热固性树脂在固化过程中发生体积收缩也会形成残余应力。
复合材料的残余应力同时存在于基体、纤维和界面上,基体中的应力会使基体的性质发生变化[1、2],使基体的耐冲击性、疲劳强度、压缩强度等下降,甚至会引起基体的破坏。
纤维中主要存在轴向压缩残余应力,可能引起纤维发生曲折[3]。
界面相的残余应力有径向压缩或拉伸应力、环向拉伸应力和界面剪切应力[4、5],这些应力都会对界面的粘结强度和纤维的脱粘产生重要的影响[6~8]。
界面相残余应力的存在显然严重影响复合材料的宏观性能,因此,人们一直希望能定量测定它,但是界面层的厚度很小,属于微结构(纳米结构),而且界面存在材料的内部,所以难以直接测量残余应力[9]。
纤维和基体中的残余应力则可采用各种实验方法来测定,例如光弹性法[2、10]、Ramman光谱法[11]、纤维总应变法[12]、碳纤维电阻率法[13]、单丝拔除法[14]等,可以通过测定邻近界面的基体或纤维中的残余应力来得到界面残余应力。
另一方面,三十年来发展了有限元分析等各种理论分析方法研究复合材料残余应力[15~21],使人们对界面残余应力有了深入的认识。
近年来热塑性树脂基复合材料得到发展和广泛应用,人们对聚合物基复合材料的界面残余应力的研究越来越重视,这是因为与热固性树脂基复合材料相比,这种热塑性树脂在加工冷却过程中多伴有结晶的形成,与纤维的体积收缩比具有更大的差异[1、22],可能形成较大的界面残余应力。
2 残余应力的形成聚合物基纤维复合材料有不少是在高于环境温度(150~300℃)的条件下加工,当体系温度降低时,会由于树脂和纤维的体积收缩不匹配而造成残余应力,表1列举了几种纤维和树脂的热膨胀系数和温度变化时的体积收缩率。
由表1可见玻璃纤维是各向同性的,而碳纤维和凯芙拉纤维的横向和纵向热膨胀系数差别很大,当升温时沿纤维纵向收缩,横向膨胀。
环氧树脂在固化过程中,伴随着化学反应体积发生收缩,产生残余应力,体积收缩率随树脂类型的不同在1%-6%范围内,固化完成后,环氧树脂随温度的降低继续发生一定的体积收缩,热膨胀系数在较窄的温度范围内(50~150℃)可看作常数(40~80ppm/℃)[24]。
热塑性树脂在温度达到固化温度时(T c或者T g),体积收缩开始产生热应力,在达到固化温度以前,热塑性树脂仍然是熔体,虽然也有很大的体积收缩但却不产生残余应力,非晶型热塑性树脂的体积收缩率与环氧树脂相差不大,而结晶型的体积收缩率则相当高。
FRP/CM 2000.No.4 聚合物基体和纤维在温度降低过程中的体积收缩不匹配,而又要保持变形的一致,就必然要产生内应力(如图1所示)。
纤维和基体在轴向存在残余应力σL (图la ),纤维径向受到压缩残余应力σr (图1b ),在基体中和界面处还存在环向残余应力σh (图1C )。
若假设界面结合良好,基体和纤维是弹性的,弹性性质以及热膨胀系数各向同性,而且各种参数不随温度变化,则可得到复合材料体系纤维式(1)和基体中式(2)横向残余应力的理论估算式[25],对单纤维复合材料,纤维的体积含量可忽略,则径向残余应力可由式(3)估算:3 残余应力的测量方法3.1 单丝拔出法[14]单丝拔出法可以测定纤维受到的径向残余应力。
根据单丝拔出曲线,由式(4)可以求出纤维脱粘后的摩擦力τi ,在单丝拔出过程中,对包埋纤维的基体施加垂直于纤维方向的压力Pa ,若基体收缩引起的径向残余压力的PO ,则由式(5)可知τi 随Pa 的增加呈线性变化,根据直线的斜率和截距,则可求出P O 。
该法所测得的径向残余压力P O ,由于忽略了纤维受拉应力而引起的泊松应力,因此略偏低。
3.2 光弹性法[2][4][10][27]基体内部存在内应力时,它的双折射性能要发生相应的变化,若三个主应力不完全相等,则在偏振光的照射下,透明的基体会产生等色线和等倾线,根据等倾线可以确定与偏振光轴相互垂直的平面内的主应力方向,而根据等色线可以确定平面内两个主应力的差值,通过该法可以测得基体中三个主应力的大小和方向。
对基体中的残余应力进行光弹分析,要求材料高模量、应力光学性能适当,还需要消除基体的时间一边缘效应。
到目前为止,该法仅用于环氧基复合材料的残余应力的研究。
3.3 激光Raman 光谱法[11、28]Raman 光谱可用来测定有机聚合物纤维、SiC 纤维以及碳纤维的残余应力,这些纤维其Raman 光谱的特征谱带随张应变的增大移向低频、随压应变的增加移向高频,在一定的应变范围内,频移与应变值成一定的比例。
通过测定复合材料中纤维Raman 光谱特征峰的频移,即可求出纤维的应变值,进而得到纤维受到的应力值,该法可以测定纤维的轴向残余应力。
3.4 其他方法Y.Saado 等人直接用灵敏高位计(灵敏度1μm ),测出了包埋在基体中的纤维轴向残余应力而发生的轴向总应变,由总应变和纤维的模量求出纤维轴向受到的压缩残余应力,该法所测结果与理论值比较相符[12]。
对碳纤维复合材料,当碳纤维受到轴向压缩残余应力时,它的单位长度的电阻率会变大,若此时对碳纤维施加一拉应力,则随拉应力的增加,其电阻率又会下降,当电阻率完全和自由的碳纤维的相等时,那么所施加的拉应力就等于纤维受到的轴向残余压缩应力[13]。
Wang Xiaojan 等人首次提出了这种方法,并测定了碳纤维/环氧单纤复合材料中纤维受到的轴向残余压缩应力,应力值为1320MPa ,略低于理论值1438MPa [13]。
4 残余应力的分布Marloff 和Daniel 在1969年采用了三维光弹技术[14],对正方形列阵多纤维包含体模式基体中纵向切面中的径向、环向和轴向残余应力进行了研究。
分析结果表明:以各纤维之间的中点为参考点,环向应力在参考点处有最大值,随着向界面方向的移动而变小;基体中纤维轴向方向的残余应力是拉应力,保持常数,在界面处与环向应力相等;径向应力是压缩应力,基本保持常数,仅在界面处略有降低。
T.K oufopoulos 和P.S.Theocaris 对多纤维包含体模式(如图5)进行了二维光弹应力分析,得出结论[10]:基体中径向残余应力是纤维周长位置的函数,在纤维之间距离最小处是压缩应力,而在纤维之间距离最大处则是拉伸应力,而且可能导致该方向界面处的径向应力也为拉伸应力;径向应力随复合材料相对刚度Ef/Em 的下降而变大,随d/D (纤维之间最近距离/纤维直径)的下降而变大;残余应力的分布与基体和纤维的模量以及体积收缩率有关。
另外,Haener 等人通过对正方形列阵纤维排列模式的残余应力的古典弹性力学分析[29],不仅得到与光弹FRP/CM 2000.No.4分析的相同结果,而且发现,在界面处存在剪切残余应力,这种剪切应力也是周长位置的函数。
分析结果还表明,各种残余应力随纤维体积含量的增加而变大。
到此为止,人们对残余应力在平面内(垂直于纤维方向的纵向切面)的分布和变化已有了比较清楚的认识,然而以上分析结论,都未能说明残余应力随纤维轴向的变化。
近年来人们采用三维有限元分析方法,对残余应力随轴向位置的改变而发生的变化进行了研究A.Abedian 和W.Szyzkowski 采用三维有限元法[21],分析了碳纤维/环氧树脂体系中残余应力的分布。
分析结果表明:在接近复合材料自由表面处(端区),界面上存在轴向残余剪切应力,随着向材料内部的移动而逐渐变小,一般当离自由表面2.5~5倍的纤维直径处完全消失;轴向残余压缩应力在靠近自由表面处有最大值,随着离自由表面的距离增加而趋于以定值;在端区径向(2~4MPa )和环向(5~7MPa )的残余应力存在着应力集中,应力集中是拉伸应力,随纤维周长位置的改变而变化,应力的大小远大于端区的轴向剪切应力,可能会引起应力集中处的纤维脱粘和基体的破坏。
在离自由表面较远处(内区),各种残余应力不随轴向位置的改变而变化,分析结果与以前的结论基本一致,但有一点不同于T.K oufopoulos [10]的光弹分析结果:有限元分析表明,基体中的径向残余应力在纤维之间距离最大处可能为拉伸应力,却未能证明该方向界面处的径向残余应力也为拉伸应力,A.Abedian [21]指出这是由于光弹分析中忽略了复合材料端区对残余应力分布的影响,把端区的界面上径向拉伸应力的集中误认为这种拉伸应力沿纤维轴向都存在。
5 残余应力对复合材料界面和性能的影响基体和纤维的残余应力,会使基体和纤维的性能下降,甚至会引起材料的破坏[1~3]。
复合材料界面上的环向应力、端区的轴向剪切应力,特别是端区的径向和环向拉伸应力集中,都可能会引起界面的脱粘和邻近界面的基体破坏。
而界面上的径向残余压缩应力则有利于界面粘结强度的提高[31],因此,只有合适大小的径向残余压缩应力才有利于复合材料韧性和强度的提高[33~34]。
当复合材料受到外载荷作用时,由于基体和纤维的泊松比不同,会在界面上产生泊松径向压缩应力σr p ,同时界面上还存在热径向和残余应力σr T ,则界面处的压缩应力σr =σr p +σT r [30]。
M.R.Piggott [32]根据复合材料纤维拔出机理的破坏方式,建立了复合材料断裂韧性R 与σr关系的公式(式7),Piggott 研究了环氧/碳纤维和环氧/玻璃纤维体系的R ~σr 关系,发现R 随着σr 的增加而迅速下降,因此降低界面处的压缩应力,复合材料的断裂韧性提高。
T.U.Marston [34]等人研究了复合材料的强度σc与基体和纤维之间摩擦力τf 的关系,其中τf =μσr =(σr p +σr T ),当τf 较高时σC 2∝1/τf ,当τf 较低时,σc 随1/τf 的增加而降低,因此只有在摩擦力τf 大小适中的情况下,复合材料的强度才能达到最高,这就需要有效的控制界面残余应力。
界面处的径向热残余应力都较大,便如,玻璃纤维/聚丙烯体系的可达63MPa [22],因此需要减小界面处的径向热应力,以提高复合材料的韧性和强度。
6 界面残余应力的控制残余应力是由于聚合物基体的体积收缩引起的,减小基体体积收缩率就可以降低残余热应力。