納米纖維改性C-C復(fù)合材料拉伸斷裂過(guò)程有限元分析.pdf

1、C/C復(fù)合材料作為一種特殊的炭材料,其應(yīng)用領(lǐng)域在逐步擴(kuò)大,但也對(duì)其使用條件提出了更加苛刻的要求。為了提高C/C復(fù)合材料的綜合性能或某些特殊性能,對(duì)其增強(qiáng)相炭纖維進(jìn)行改性是必要且可行的。前期研究表明,炭纖維改性后C/C復(fù)合材料力學(xué)性能顯著提高,但增強(qiáng)增韌機(jī)理還沒(méi)有明確。本文以斷裂力學(xué)和界面力學(xué)為分析手段,通過(guò)有限元軟件ANSYS分別對(duì)C/C復(fù)合材料改性前后裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了研究,探討了改性前后C/C復(fù)合材料的增強(qiáng)增韌機(jī)理。主要研究

2、結(jié)論如下:
　　改性前,分別建立了C/C復(fù)合材料中炭基體和炭纖維含橫向裂紋分析模型,研究裂紋擴(kuò)展時(shí)其應(yīng)力強(qiáng)度因子變化情況及在不同炭纖維含量、長(zhǎng)度、炭基體彈性模量大小等條件下裂紋擴(kuò)展時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:炭基體裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂紋增長(zhǎng)而變大,但當(dāng)其裂尖擴(kuò)展至界面附近時(shí)其應(yīng)力強(qiáng)度因子將變小;炭纖維裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子也隨著裂紋增長(zhǎng)而變大,但當(dāng)其裂尖擴(kuò)展至界面附近時(shí)其應(yīng)力強(qiáng)度因子會(huì)急劇變大;炭纖維含量、長(zhǎng)度、基體彈

3、性模量大小等控制在一定范圍內(nèi),C/C復(fù)合材料具有最佳力學(xué)性能;建立了C/C復(fù)合材料多裂紋分析模型,研究結(jié)果表明界面貫穿裂紋與界面交點(diǎn)處存在冪次奇異性,且隨著炭纖維和炭基體彈性模量比的增加而增大。通過(guò)采用MATLA B軟件計(jì)算不同條件下的裂紋尖端奇異性指數(shù),驗(yàn)證了有限元分析模擬的合理性。
　　改性后,分別建立了納米纖維改性C/C復(fù)合材料中炭基體和炭纖維含橫向裂紋的平行炭纖維軸向拉伸分析模型,研究了納米纖維含量、長(zhǎng)度、生長(zhǎng)角度及裂紋擴(kuò)

4、展時(shí)是否觸及納米纖維等條件下裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:當(dāng)炭基體裂紋不在納米纖維范圍內(nèi)時(shí),納米纖維含量越多、長(zhǎng)度越長(zhǎng),其裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子越小;當(dāng)炭基體裂紋擴(kuò)展到納米纖維區(qū)域內(nèi)時(shí),納米纖維含量越少、長(zhǎng)度越短,其裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子越小,且生長(zhǎng)方向與裂紋面成60°左右時(shí)其裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子最小;當(dāng)炭纖維裂紋擴(kuò)展時(shí),納米纖維含量越多、長(zhǎng)度越長(zhǎng),其裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子越小。
　　改性后,建立了納米纖維改性C/C復(fù)合材料中基體含橫向裂紋