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玻璃纖維增強樹脂基復合材料的細觀破壞研究

字體大�。� - - gqgmzhang   發(fā)表于 16-02-16 19:30     閱讀(215)       分類：

 【摘要】： 纖維增強聚合物基復合材料因其良好的力學性能在航空航天、造船、汽車、建筑、體育器材及醫(yī)療器械等方面的應用日益廣泛。復合材料多變量、可設計的特征成就了其許多優(yōu)良的特殊性能,但其多尺度、多層次的缺陷也導致了其強度預測及破壞過程分析的復雜性�；诤暧^強度準則將復合材料看作單一材料的研究,無法分析其組分、內(nèi)部缺陷及界面的脫粘和滑移對復合材料整體力學性能的影響,也無法從機理上對復合材料的破壞過程進行研究,更不能提供充分的材料優(yōu)化設計和服役安全性判據(jù)。開展復合材料細觀層次及細觀尺度的缺陷形成機理分析、服役條件下細觀缺陷的演化規(guī)律及調(diào)控機制研究,并在此基礎上進行復合材料強度預測,具有非常重要的科學意義和工程價值。 單纖維復合材料模型具備復合材料的最基本的組成單元:纖維、基體和界面,是實際復合材料的最基本模型,被廣泛用于研究復合材料的細觀力學行為,相應的理論模型—剪切滯后模型也日益發(fā)展。目前國內(nèi)外相關(guān)的研究工作主要集中于單纖維復合材料模型中已斷纖維對周圍環(huán)境應力場的擾動,以及在準靜載情況下纖維、基體及兩者之間界面的性能對復合材料力學性能與破壞過程的影響,但基于多纖維復合材料細觀力學實驗模型的相關(guān)研究工作開展較少。 在國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目的資助下,本文選用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料為研究體系,以單/多纖維復合材料模型為研究對象,采用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,研究了各組分對復合材料破壞過程的影響,并且考察了應變速率對復合材料力學性能及破壞行為的影響,將細觀缺陷演化與宏觀破壞行為聯(lián)系起來,總結(jié)了復合材料破壞模式的重要影響因素。本文作者參與研發(fā)了所用的部分實驗設備,如纖維定位儀、顯微拉伸機等,其中纖維定位儀的定位精度高、制樣方便,顯微拉伸機配有帶偏光系統(tǒng)的顯微攝像頭,不僅能實時監(jiān)測復合材料的細觀破壞過程,還能實時捕獲并記錄拉伸試樣中的應力集中現(xiàn)象。 界面對復合材料的力學性能及破壞行為起著至關(guān)重要的作用�；诒疚膶嶒炛兴^測到的,在不同界面強度的復合材料中,纖維斷點所引起的裂紋擴展模式不同,本文采用顯式動力學有限元模擬軟件ANSYS/LS-DYNA與自主開發(fā)程序相結(jié)合的方法,建立了帶有復合材料缺陷的細觀力學分析模型。以節(jié)點的有效塑性應變作為斷裂判據(jù),數(shù)值模擬了在不同界面強度下復合材料細觀裂紋的擴展過程以及已斷纖維對局部應力分布的影響,預測了在不同界面強度下復合材料局部和整體的抗破壞能力,數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。結(jié)果表明,隨著界面強度由低逐漸增高,已斷纖維所引發(fā)的裂紋有五種典型的擴展模式;界面強度越高,復合材料的局部抗裂紋擴展能力越強但整體抗破壞能力越低。當界面達到一定強度以后,界面強度對局部抗裂紋擴展能力及整體抗破壞能力不再有影響。 在復合材料固化過程中,纖維對液態(tài)樹脂中某些分子的優(yōu)先吸附將使纖維周圍的界面層形成非化學計量比的固化產(chǎn)物。本文實驗研究了基體的力學性質(zhì)、纖維與環(huán)氧樹脂基體之間的界面性能(界面破壞模式和界面剪切強度)、基體對纖維的潤濕性等物理量與固化劑含量的依賴性關(guān)系。結(jié)果表明,除初始彈性模量以外,基體的其它力學性質(zhì),如屈服強度、屈服應變及斷裂強度,都對固化劑含量有依賴性關(guān)系,當固化劑與環(huán)氧樹脂配比為化學計量比時,力學性能指標達到極值。同時,纖維與基體之間的界面性能以及潤濕性也達到最佳。研究結(jié)果還表明,當基體中具有不同的固化劑含量時,復合材料的界面剪切強度(IFSS)和粘附功(W_a)基本成線性關(guān)系。 由于基體中的固化劑含量改變,基體的力學性質(zhì)發(fā)生了改變,而基體的力學性質(zhì)對于纖維與基體之間的界面剪切強度有不可忽視的影響。為了更準確地量化粘附功與界面剪切強度之間的關(guān)系,本文在保持基體中固化劑含量不變的前提下,進行了改變纖維的表面性質(zhì),進而改變纖維與基體之間的界面性能的研究工作。即在玻璃纖維表面自組裝疏水膜,使玻璃纖維表面性質(zhì)歸一化,然后控制表面自組裝疏水膜的玻璃纖維在一定濃度的臭氧中的氧化時間,以控制纖維表面的親水性。實驗結(jié)果表明,在本文的研究體系中,界面剪切強度與粘附功基本成線性關(guān)系,即界面粘結(jié)強度可以從力學和熱力學兩個角度來評價,且評價結(jié)果是基本一致的。本文還估算出界面上原子(分子)的平衡距離基本在0.3-0.6 nm范圍內(nèi)波動,且平衡距離與界面剪切強度和粘附功分別成線性關(guān)系,即界面粘結(jié)強度越高(粘附功或界面剪切強度越大),纖維與基體之間界面上原子(分子)的平衡距離越小。 利用現(xiàn)有的實驗條件,本文研究了在低應變速率水平(2E-5 s~(-1)-2E-2 s~(-1))下拉伸應變速率對單/多纖維復合材料及純環(huán)氧樹脂基體的力學性質(zhì)、應力松弛及破壞行為的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),純環(huán)氧樹脂基體和纖維復合材料的初始彈性模量對應變速率的依賴性不顯著,但極限應力和斷裂強度隨著應變速率的增加而增大;隨著應變速率的增加,純環(huán)氧樹脂基體和纖維復合材料的破壞模式都由韌性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)變,但發(fā)生轉(zhuǎn)變時的應變速率范圍不同;應變速率越高,在試樣斷裂后,纖維斷點周圍的殘余切應力所引起的雙折射現(xiàn)象越弱、消失越快,本文提出了界面相-鏈式模型對這一現(xiàn)象進行解釋;對于多纖維復合材料,隨著應變速率的增加,纖維與纖維之間的相互作用有逐漸減弱的趨勢。 本文在綜合研究了三種不同纖維與兩種不同基體交叉復合所得的不同的復合材料對應變速率的響應后,得到應變速率對復合材料力學性質(zhì)影響的一般規(guī)律,如初始彈性模量的率不敏感性,極限應力和破壞模式的率敏感性等,還進一步總結(jié)出應變速率及各組分相對復合材料破壞模式綜合影響的規(guī)律。如纖維斷裂釋放能量的大小(與纖維的斷裂強度、彈性模量和斷裂應變有關(guān))、斷點周圍的基體和界面吸收能量的能力(與界面強度、基體屈服強度、屈服應變及彈性模量有關(guān))、斷點尺寸(與纖維直徑有關(guān))、纖維斷點產(chǎn)生的時期(即斷點產(chǎn)生在基體或界面的彈性變形階段還是塑性變形階段)及外載速率大小(即拉伸應變速率)等對復合材料破壞模式的影響規(guī)律。

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