有缺陷纤维增强复合材料的细观力学

本文沿着细观力学从各向同性到各向异性，从平面问题到三维问题，从线弹性到弹塑性的发展历程，对有缺陷复合材料的细观力学的主要研究领域进行了总结和评述。     

基于周期性边界条件的炭黑填充橡胶复合材料力学行为的预测

在分析炭黑填充橡胶复合材料的宏观与细观特征之间联系的基础上,提出了具有随机分布形态的代表性体积单元,推导并应用了周期性细观结构的边界约束条件,建立了三维多颗粒夹杂代表性体积单元的数值模型,对炭黑填充橡胶复合材料的宏观力学行为进行了模拟仿真。研究表明,该模型通过周期性边界条件的约束保证了宏观结构变形场和应力场的协调性;计算得到的炭黑填充橡胶复合材料的弹性模量明显高于未填充橡胶材料,并随着炭黑颗粒所占体积分数的增加而增大;该模型对复合材料有效弹性模量的预测结果与实验结果吻合较好,而且比Bergstrom三维模型的预测结果更好,证实了该模型能够用于炭黑颗粒增强橡胶基复合材料有效性能的模拟分析。     

纤维增强复合材料的细观力学模型以及数值模拟进展

纤维增强复合材料是一类高比强度、高比刚度的新兴结构材料.开展该材料的强度分析和破坏过程模拟具有重要的科学意义和工程价值.介绍了纤维增强复合材料的细观力学模型的发展过程,综述了引入统计概念的复合材料力学行为有限元分析的研究现状,并展望了其发展趋势.     

海泡石增强橡胶密封复合材料横向压缩性能的细观力学模型

制备了海泡石增强橡胶密封复合材料(SRRC),对其横向压缩力学性能进行了测试。采用扫描电子显微镜观察了试样断面上的海泡石纤维分布状况,建立了单分散和多分散纤维体系的代表性体积单元(RVE)模型。通过Abaqus有限元软件建立了SRRC的计算模型,采用连续的网格重划技术,预测了SRRC的大变形行为。结果表明,当纤维体积分数较小时,压缩应力随应变呈线性增加;当纤维体积分数达到42%时,随着应变的增加,应力-应变曲线呈明显的非线性;增加海泡石纤维的体积分数,能够有效提高SRRC的弹性模量和压缩强度。通过对RVE模型进行2次网格重划,可使模型的压缩应变达到0.4。相比于单分体系,多分散体系RVE模型的预测结果与实验值更为接近。     

颗粒增强镁基复合材料细观力学场的数值模拟分析

本文借助有限元数值模拟,研究了颗粒增强镁基复合材料的细观力学特征.结果表明,等效应力、应力球量、功耗、最大主应力和最大主应变存在明显的集中现象.尽管外力小于基体的屈服强度,但应力集中可使基体发生微区屈服.复合材料主要的失效形式为界面脱粘和基体开裂,同时,细观力学分析说明,增强体的强化作用主要来自于它对基体应力、应变状态...     

有缺陷纤维增强复合材料的细观力学

本文沿着细观力学从各向同性到各向异性，从平面问题到三维问题，从线弹性到弹塑性的发展历程，对有缺陷复合材料的细观力学的主要研究领域进行了总结和评述。     

预报复合材料热膨胀系数的细观力学模型

建立了一国观力学模型用于预报复合材料的有效热膨胀第数。利用这一模型计算热膨胀系数无需对复合材料进行热应力分析，仅需知道在某一相关外力场作用下，其组分的内部的平均应力场问题即可解决。     

高体积含量颗粒增强复合材料的一个细观力学模型Ⅱ: 弹塑性与损伤分析

在高体积含量颗粒增强复合材料细观弹性分析的基础上, 引入了细观塑性和细观损伤模型: 基体用服从Von Mises 屈服准则的理想弹塑性材料模拟, 用沿圆柱形基体轴线方向的平均应力(即对称面上的应力) 来判断基体的屈服, 并将基体的塑性部分简化为圆柱状轴对称区域。建立了基体和颗粒/ 基体界面统一的损伤准则, 该准则同时考虑了最大应变和三轴应力的影响, 通过对细观塑性和细观损伤在空间取向上的平均, 建立了材料宏观模量的折减法则。用该细观力学模型, 数值模拟了一种实际金属基复合材料的强度实验, 理论模型与实验结果吻合。      

纤维增强复合材料考虑损伤的温度胀缩细观力学模型

采用细观力学方法,建立了纤维增强复合材料（FRC）包含基体微裂纹和纤维/基体脱粘的热胀/冷缩理论模型。模型考虑了基体、界面中不同分布取向的微裂纹在升温和降温过程中张开、闭合情况的差异,及其对复合材料平均热胀/冷缩系数（CTE/CTC）的影响,同时还考虑了细观应力分布不均匀的因素。建立了细观有限元模型对理论模型进行验证。研究发现：复合材料损伤后CTE和CTC不一致,且取决于损伤模式：基体微裂纹损伤使得复合材料的横向CTE高于无损材料,而横向CTC低于无损材料,但对纵向CTE/CTC影响不大;纤维界面脱粘能较明显地减小复合材料的纵向CTC,但对横向CTC的影响可忽略。     

低压缩永久变形导电炭黑/硅橡胶复合材料的制备与性能

为获得一种低压缩、永久变形及高回弹的导电屏蔽硅橡胶密封材料,以经偶联剂表面处理的炭黑作补强剂及导电填料,乙烯基硅橡胶生胶作基料,制备出一种导电炭黑/硅橡胶复合材料。研究了不同炭黑含量的导电炭黑/硅橡胶复合材料的力学性能、弹性、分散性以及电性能,采用SEM观察了炭黑在硅橡胶基体中的分布形貌,分析了导电炭黑/硅橡胶复合材料的导电机制及屏蔽机制。结果表明:随着炭黑含量的增加,导电炭黑/硅橡胶复合材料的Shore A硬度由31增至70;拉伸强度先由3.31 MPa增至5.28 MPa,而后趋于稳定;拉断伸长率先由198%增至297%,然后再减小至210%;恒定压缩永久变形量先减小后增大,瞬间回弹率逐渐减小;由于"炭黑簇"的形成及导电通路的完善,导电炭黑/硅橡胶复合材料的导电性能及屏蔽效能增强。     

炭黑填充导电橡胶的力敏传感器灵敏系数

以通用有效介质理论为基础, 给出了炭黑填充导电橡胶(炭黑/橡胶)的力敏传感器灵敏系数计算方程。采用该方程并结合应变和压阻效应对"负压力-电阻特性"(NPC)的影响程度, 分析了力敏导电炭黑/橡胶的灵敏系数和工作原理。结果表明: 炭黑体积分数在临界体积分数附近时, 力敏导电炭黑/橡胶的灵敏系数在2.5～13之间, 其工作原理主要为压阻效应。当炭黑体积分数在渗流区时, 灵敏系数在2.5～4.5之间, 其工作原理与接触压力的大小有关。压力较小时, 其工作原理主要为压阻效应; 压力较大时, 其工作原理主要为应变效应。炭黑体积分数在传导区时, 灵敏系数在2.0～2.5之间, 其工作原理主要为应变效应。      

炭黑的表面修饰及其对炭黑/硅橡胶导热性能的影响

通过采用羟基硅油对炭黑表面修饰, 改善炭黑与硅橡胶之间的相容性, 从而减小炭黑与硅橡胶界面热阻, 制备了高导热系数炭黑填充硅橡胶, 研究了炭黑填料与硅橡胶的相容性及炭黑/硅橡胶的导热系数。结果表明: 与原炭黑/硅橡胶体系相比, 经过羟基硅油修饰的炭黑与硅橡胶的相容性得到明显改善。当经表面修饰炭黑的质量分数为36.59%时, 表面修饰炭黑/硅橡胶的导热系数可达到0.591 W·(m·K)^-1, 较同含量未修饰炭黑/硅橡胶的导热系数高38.7%。     

碳纤维机织物增强热塑性树脂复合材料热冲压叠层模型

针对碳纤维增强热塑性树脂复合材料(CFRTP)在热冲压成型过程中涉及到大变形、各向异性和多场耦合的现象,为了表征CFRTP在成型中的力学特征,基于有限元方法与连续介质力学理论提出了一种热塑性树脂基体与碳纤维机织物的叠层模型。与单独采用碳纤维机织物超弹性本构模型预测CFRTP成型性能的方法相比,提出的叠层模型能够表征成型温度、压边力和纤维取向对CFRTP成型缺陷的影响,并能优化热冲压成型工艺参数。这一叠层模型具有简单实用和材料参数容易确定的优点,为碳纤维机织物增强热塑性树脂复合材料成型的数值模拟和成型工艺优化奠定了理论基础。     

基于炭黑填充导电橡胶的力敏传感器的灵敏度

以通用有效介质理论为基础,给出了,炭黑填充导电橡胶(炭黑/橡胶)的力敏传感器灵敏度计算方程.采用该方程并结合形变和压阻效应,分析了影响力敏导电炭黑/橡胶的灵敏度的主要参数.结果表明:炭黑体积分数是影响力敏导电炭黑/橡胶的灵敏度的主要参数.当炭黑体积分数在临界体积分数附近时,力敏导电炭黑/橡胶的灵敏度为0.1～11.5 MPa-1,其敏感机制主要为压阻效应.当炭黑体积分数在渗流区时,灵敏度为0.2～3.6 MPa-1,其敏感机制还与接触压力的大小有关,压力较小时,主要为压阻效应;压力较大时,主要为应变效应.若炭黑体积分数在传导区,灵敏度为0.3～1.7 MPa-1,其敏感机制主要为应变效应.     

炭黑填充导电橡胶的温度传感器灵敏系数

以通用有效介质理论为基础,给出了炭黑填充导电橡胶(导电炭黑/橡胶)的温度传感器电阻-温度计算模型。利用该模型得出材料的灵敏系数计算公式,并结合形变和电阻率的变化对正电阻-温度特性(PTCR)的影响分析材料的灵敏系数特性。结果表明:在炭黑分布均匀、体积分数在渗流体积分数附近等条件下,电阻-温度计算模型与实验吻合,表现出一致的PTCR变化规律。导电炭黑/橡胶的PTCR效应主要源于基体膨胀导致炭黑体积分数的稀释作用,若炭黑体积分数在渗流区,导电炭黑/橡胶的灵敏系数为280~420;当炭黑体积分数在传导区时,其灵敏系数为32.5~62.0。导电炭黑/橡胶的PTCR效应是热-形变与形变-电导过程的乘积效应,导电炭黑/橡胶的灵敏系数高,但其体积膨胀系数低,使材料的电阻温度系数较低。     

三维网络碳纳米管增强环氧树脂复合材料的细观力学

根据网络碳纳米管/环氧树脂(Reticulate Carbon Nanotubes/Epoxy, R-CNTs/EP)复合材料的结构特点, 假设R-CNT均匀分布, 建立了R-CNT/EP复合材料的三维有限元模型。利用有限元法分析了R-CNT/EP复合材料单胞的细观变形, 用二尺度展开法计算了R-CNT/EP复合材料在不同应变下的有效刚度系数。分析结果表明: R-CNT/EP复合材料为各向异性材料, 沿蒸汽流动方向的强度远大于其他方向的强度, 且R-CNT的形状对R-CNT/EP复合材料的力学性能有显著影响, 各刚度系数以及杨氏模量在Y型接头处各角相等时最大; R-CNT的体积分数对R-CNT/EP复合材料的力学性能有显著影响, 各有效性能均随着R-CNT体积分数的增大而增大, 但是增大程度不同。     

基于炭黑填充导电橡胶的力敏传感器的灵敏度

以通用有效介质理论为基础, 给出了炭黑填充导电橡胶(炭黑/橡胶)的力敏传感器灵敏度计算方程。采用该方程并结合形变和压阻效应, 分析了影响力敏导电炭黑/橡胶的灵敏度的主要参数。结果表明: 炭黑体积分数是影响力敏导电炭黑/橡胶的灵敏度的主要参数。当炭黑体积分数在临界体积分数附近时, 力敏导电炭黑/橡胶的灵敏度为0.1～11.5 MPa^-1, 其敏感机制主要为压阻效应。当炭黑体积分数在渗流区时, 灵敏度为0.2～3.6 MPa^-1, 其敏感机制还与接触压力的大小有关, 压力较小时, 主要为压阻效应; 压力较大时, 主要为应变效应。若炭黑体积分数在传导区, 灵敏度为0.3～1.7 MPa^-1, 其敏感机制主要为应变效应。     

炭黑/聚氨酯泡沫导电复合材料的开发

制备了以聚氨酯软泡为基体的炭黑 /聚氨酯泡沫导电复合材料 ,研究了炭黑的用量及交联剂、扩链剂、偶联剂等助剂对复合材料电学及力学性能的影响。