復(fù)合材料的氧化損傷及高溫力學(xué)性能研究.pdf

1、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,迫切要求發(fā)展高溫高強(qiáng)度材料。在火箭導(dǎo)彈、超音速飛機(jī)、宇宙航行、現(xiàn)代冶金、電子技術(shù)以及新能源等技術(shù)領(lǐng)域中,復(fù)合材料不僅要求具有耐高溫性能,而且還分別要求具有抗熱沖擊性、耐腐蝕性、抗氧化性以及電子方面的性能。高溫復(fù)合材料由于其良好的耐高溫性近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用,因此成為力學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),因此,本文在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論研究的基礎(chǔ)上研究了復(fù)合材料在高溫條件下的力學(xué)性能及其相關(guān)的變化規(guī)律,為復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)

2、度與壽命分析等方面提供了一定的理論基礎(chǔ)。
　　 本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 1.通過(guò)修正Eshelby等效夾雜理論研究了粒子增強(qiáng)復(fù)合材料的粘彈性力學(xué)性質(zhì)。首先給出該復(fù)合材料的粘彈性模型,然后通過(guò)引入Heaviside階梯函數(shù)和Laplace變換,得到該材料含有應(yīng)變率的蠕變本構(gòu)方程,最后借助于等效夾雜理論通過(guò)引入割線模數(shù)給出了Glass/ED6增強(qiáng)復(fù)合材料與時(shí)間和體積相關(guān)的模量預(yù)測(cè)。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好,且表明復(fù)合材料

3、粘彈性主要取決于復(fù)合材料基體的粘彈性行為。該模型能夠很好的預(yù)測(cè)復(fù)合材料內(nèi)部夾雜物的形狀、體積函數(shù)及加載路徑之間的關(guān)系。該理論的建立,為進(jìn)一步考慮復(fù)合材料的高溫蠕變提供了必要支持;
　　 2.基于Eshelby等效夾雜理論,利用三參數(shù)粘彈性本構(gòu)模型,本文研究了Glass/ED6短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的粘彈性響應(yīng)機(jī)理,并對(duì)該材料動(dòng)態(tài)剪切模量及碳/環(huán)氧材料熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律進(jìn)行了預(yù)報(bào)。結(jié)果表明,材料的剪切模量與組分間的體積分?jǐn)?shù)以及

4、加載頻率間聯(lián)系緊密,有效熱膨脹系數(shù)與溫度密切相關(guān)。通過(guò)μR·ω,μI·ω,μR·f,μI·f和α·△T曲線可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)加載頻率值較高時(shí),動(dòng)態(tài)剪切模量主要由實(shí)部決定;而當(dāng)纖維的體積分?jǐn)?shù)較大時(shí),動(dòng)態(tài)剪切模量的變化主要由虛部決定,這將使材料力學(xué)性能計(jì)算過(guò)程得到簡(jiǎn)化。針對(duì)碳/環(huán)氧材料,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)隨著溫差的增大,材料的熱膨脹系數(shù)隨之下降。本文工作將會(huì)為材料設(shè)計(jì)及實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　 3.本文研究了ZrB2-SiC陶瓷在高溫環(huán)

5、境下的氧化行為,結(jié)合Arrhenius方程及細(xì)觀力學(xué)理論,給出了增強(qiáng)相、氣孔相與基體相隨溫度變化的規(guī)律。根據(jù)Eshelby等效夾雜理論,預(yù)報(bào)了高溫下復(fù)合材料的力學(xué)性能,給出了彈性模量與孔隙率隨溫度變化的規(guī)律,這將為高溫陶瓷材料的后續(xù)研究提供依據(jù)。
　　 4.在已有國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫度作用下復(fù)合材料熱力學(xué)行為研究的基礎(chǔ)上,基于材料微結(jié)構(gòu)特征參量的分析,建立熱/力耦合條件下復(fù)合材料的熱-力學(xué)耦合分析模型,然后從熱傳導(dǎo)和熱力學(xué)的相關(guān)理論出發(fā)