三維機(jī)織陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)行為研究.pdf

1、傾斜內(nèi)鎖型三維機(jī)織陶瓷基復(fù)合材料在改進(jìn)層間斷裂韌性，提高損傷容限等方面具有巨大潛力，材料具有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗氧化和低密度等特點(diǎn)，在高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。三維機(jī)織物有較強(qiáng)的仿形能力，能夠一次成型具有異形截面的紡織預(yù)成型件，這預(yù)示著傾斜內(nèi)鎖型三維機(jī)織陶瓷基復(fù)合材料將有可能在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文的研究工作主要包括： 1.利用平均化方法，提出了傾斜內(nèi)鎖型三維機(jī)織陶瓷基復(fù)合材料彈性性

2、能分析的三維細(xì)觀力學(xué)模型，對(duì)材料的彈性性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)。針對(duì)材料的機(jī)織結(jié)構(gòu)分別建立了兩種幾何模型，模型考慮了傾斜內(nèi)鎖型三維機(jī)織陶瓷基復(fù)合材料經(jīng)向纖維束的彎曲和緯向纖維束的平直，纖維束的橫截面形狀和相鄰纖維束之間的空洞以及工藝處理對(duì)彈性性能的影響。基于層合板理論和兩種單胞應(yīng)變狀態(tài)假設(shè)分別對(duì)材料的九個(gè)彈性常數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算，結(jié)果表明兩種方法理論的預(yù)測(cè)值非常接近。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較吻合，表明所提出的細(xì)觀力學(xué)模型是合理的，可以為編織陶瓷基復(fù)合材

3、料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。由于纖維束直桿模型的纖維束波動(dòng)形式更為接近材料的實(shí)際情形，因此纖維束直桿模型預(yù)測(cè)結(jié)果比纖維束曲桿模型更為準(zhǔn)確。 2.利用所提出的彈性性能預(yù)報(bào)模型，分析了材料織物細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)彈性性能的影響。研究了織物幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)與孔隙率、纖維體積含量、曲屈率的關(guān)系，給出了材料彈性性能隨纖維體積含量、曲屈率以及孔隙率等參量的變化關(guān)系。纖維體積含量與編織幾何形狀有關(guān)，隨著纖維體積含量的增大，材料的縱向拉伸彈性模量非線性

4、減小，這是因?yàn)閮A斜內(nèi)鎖型三維機(jī)織復(fù)合材料獨(dú)特的機(jī)織結(jié)構(gòu)，纖維體積含量增大的同時(shí)加劇了纖維束的彎曲程度，減小了經(jīng)向纖維束在縱向上的分量，因此材料的縱向拉伸模量減小。通過預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的比較發(fā)現(xiàn)工藝處理對(duì)陶瓷基復(fù)合材料彈性性能影響不大，而纖維束內(nèi)部孔隙對(duì)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料彈性性能影響是不可忽視的。通過分析認(rèn)為材料的彈性性能主要受織物細(xì)觀紡織結(jié)構(gòu)和纖維束復(fù)合材料混合律的影響，可以調(diào)整織物的細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)以滿足不同設(shè)計(jì)要求。 3.通

5、過傾斜內(nèi)鎖型三維機(jī)織C/SiC復(fù)合材料材料的力學(xué)性能的試驗(yàn)，研究了材料的基本力學(xué)性能和破壞模式?？梢园l(fā)現(xiàn)材料在縱向和橫向拉伸載荷作用下表現(xiàn)出明顯的非線性力學(xué)行為，應(yīng)力應(yīng)變曲線在高應(yīng)力狀態(tài)下出現(xiàn)上揚(yáng)現(xiàn)象，初步認(rèn)為這是材料內(nèi)部纖維束損傷演化和機(jī)織結(jié)構(gòu)演化共同作用的結(jié)果。材料在縱向和橫向壓縮載荷下，當(dāng)應(yīng)力低于強(qiáng)度的90﹪時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為線性，當(dāng)應(yīng)力超過強(qiáng)度的90﹪時(shí)材料的應(yīng)變迅速增大?？v向和橫向壓縮的強(qiáng)度和線性段的模量有所不同，縱向壓縮強(qiáng)

6、度低于橫向壓縮強(qiáng)度，而縱向壓縮模量高于橫向壓縮模量?？v向壓縮破壞角度即為縱向纖維束平直段的傾角，而橫向壓縮與縱向纖維束在空間的排列有關(guān)。 4.基于試驗(yàn)結(jié)果，研究了材料的拉伸和剪切損傷演化過程，給出了材料在單一載荷下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。通過分析發(fā)現(xiàn)，材料的縱向拉伸和橫向拉伸具有非常相似的損傷演化過程。材料的損傷速度隨著拉伸應(yīng)力的增大而增大，損傷為雙線性增加，呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)。應(yīng)力應(yīng)變的預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)結(jié)果比較一致。通過對(duì)材料兩個(gè)剪切方