纤维增强铜基复合材料

纤维顶出出一个研究铜基复合材料与工程接口：模拟实验和凝聚力元素

文章信息

文章历史：2008年9月25日收稿

2009年7月21日重新修订

2009年9月1日发行

重点;

纤维顶出试验

衔接区模型

纤维增强铜基复合材料

有限元模拟

界面脱粘

牵引分离法则

摘要

该纤维顶出试验是一种基本方法，探讨了纤维的力学性能/纤维增强金属基复合材料界面。为了估计的界面性能，参数应进行校准测量负载位移数据和理论模型。在软基复合材料的情况下，可能的塑料区域要进行校准考虑。由于传统的剪滞模型是基于弹性行为，一个详细评估的塑料效果是需要准确的校准的。在本文中，实验和模拟研究，提出了铜基复合材料与基体

的塑性强大的界面结合效果。显微图像表现出显着的塑性变形的区域全球领先的纤维负载位移曲线突出的非线性响应。作为比较，没有化学键涂层界面也可以检测到而其中的非线性则不能够观察到。一个先进的有限元建模是被用来完成一个推出有结合力的区域模型或相反的装置。与测量的推出曲线完全吻合，实验结果证明了预测结果。

1. 介绍

目前，用来加强铜基复合材料的连续

在2002年碳化硅（SiC）纤维作为一种新型的高热量的热点材料得到了很高的关注。一种可能的应用实例是核聚变反应的等离子面向组件。在实践中带有碳保护涂层的厚SiC纤维是用来起到增强作用的。最理想的复合材料的性能能通过铜和非常高强度的SiC纤维的热导性的结合来实现。

纤维的牢固结合面/基体界面的加载必须保证是从有延伸性的基体传导到牢固的纤维。结力强通常是指在纤维表面的薄的反应膜形成一个稳定的化学粘合的接口。界面的结合强度取决于最后的轴向和横向的载荷的施加量。此外，界面的摩擦也有助于一些区域载荷量的承载，只要拉拔纤维时在附近的接口处产生了相当大的剪应力。由于复合材料结构的设计通常取决

于加强方向的载荷，剪切强度和摩擦应力是关键的界面性能，与结构的完整性有关。界面的微观破坏特征将主要受分层纤维涂层的断裂，软基体的塑性变形影响。该纤维顶出试验是来探测一个接口的机械特性最流行的方法之一。负载位移曲线，从一个弹性单纤维试样的顶出试验得到，包括典型的四个特征阶段在图1给出。阶段（一）具有线性弹性负荷，有完整的界面，阶段（二）减少刚度由于界面裂纹萌生和扩展，阶段（三）由于突然甩负荷完整的界面脱粘和阶段（四）纤维的摩擦滑动。该界面参数校准通常是通过测量与预测与推出的数据数值拟合，可指在特定阶段或整个负荷位移曲线。在铜基复合材料的例子中，弹性剪力滞后模型的有效性是被基体的塑性变形限制的。另一方面，一些研究人员运用有限元法（FEM）来模拟光纤顶出（或拔出）测试。

贝克特和Lauke（1996）估计静态界面裂纹能量的释放率。使用一个混合型断裂准则，他们确定了规定的脱粘裂纹长度扩展负载。他们预言了拉出曲线到最大负荷。

阿迪等。（1992年）进行了静态断裂力学有限元计算应力的混合模式的预定义大小的界面裂纹强度因子分析。

布赫霍尔茨和科贾（1997）应用断裂力学方法接近一个热强调纤维/基体界面。他们计算开裂变形功和能量释放率并考虑到裂纹面接触摩擦。

钱德拉和Ananth（1995）用线弹簧元素去模拟一个应力为基础的破坏准则和法则适用的Coulomb摩擦界面是被应用了。这种方法的一个显着的方面是模拟的先进性。剪切强度校核是通过使用测顶出负载进行的。

Bechel和Sottos（1998）使用的接口接触原理是以库仑的摩擦力法则和有限的滑动公式为基础的。他们使用一个迭代过程来确定脱粘长度和摩擦系数的校准。

Pochiraju等。（2001年）使用一个基于Reissner’s

的轴对称解决方案和有限元分析法的所谓轴对称损坏模型的应力分析。两人的界面粘附造型能力，摩擦和正常剥离。

林等。（2001年）提出一个先进的有限单元法利用内聚区域模型模拟一个线性的牵引分离法则（三态逻辑）。他们获得负载下降在一个完全剥离的状态。两人都是建模界面粘附，摩擦和正常的剥离能力。

钱德拉等。（2002年）进行了比较研究，关于二种具有凝聚力的元素与谢瑞麟双线性和指数的表现做对比。他们的模拟结果表明与实验相吻合到高峰负荷后负荷下降。

目前工作的目的是调研在接口处有和没有化学胶合的铜基SiC加固纤维复合材料的顶出反应。科学兴趣主要集中在局部区域基体的塑性效应和界面层微观断裂行为。为此，要进行大量的实验和计算的研究。在这个文件中，推出测试结果，微观分析和有限元数值模拟模型是基于凝聚区域模型的提出。这是表明，模拟结果预测测量的行为非常好，证明了显微观察。2。理论背景

由于Barenblatt各种区域凝聚力模型的先驱工作被提出。钱德拉等做了全面的审查。对于影响谢瑞麟曲线形状范围特征的断裂行为的预测仍然是一个有争

议的问题。该理论的凝聚力区首次应用到接口问题是由尼德曼在1987年报告的。他利用谢瑞麟典型曲线模仿界面正常的减聚力在颗粒复合型材料中的情况如（图2）。三态逻辑是被应用到多项式和指数函数中。他延伸他的模型到一个剪切和牵引实例中在1993年。随后，梯形和三角形三态逻辑是被提出，分别由Tvergaard和Hutchinson在1992和Geubelle和贝勒在1998年提出。根据钱德拉在2002年的研究，三角形的三态逻辑和指数的三态逻辑相比前者与实验结果更加一致。

一个有凝聚力的三态逻辑可以以两种不同的方式制定。尼德曼在1987-1990年通过三台逻辑的分化分离引入了势函数的概念。另外，三态逻辑被一个启蒙的标准和一个演变的法则定义成一个受损变量。Camanho和达维拉在2002年根据他们的演变法则认为一个有凝聚力的单元刚度单调下降，而受损变量则会上升。

在这项工作中，我们使用一个特设定义三态逻辑从顶出试验获得数据。所获得的谢瑞麟图两部分组成，即一个前和一个后的损伤域域。线弹性三态逻辑是最初假定前发生的损害。在最大牵引力，损害开始发展。有紧密结合力的元素发生失效以及与破坏参数达到一