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含人工缺陷的C_f/Al复合材料压缩失效行为研究

作　者: 李本禄
导　师: 孙东立
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 复合材料 人工缺陷 压缩性能 失效机理
分类号: TG115.53
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


连续碳纤维增强铝基复合材料(Cf/Al)具有高的比强度、比刚度等优异特性,在航空航天领域具有巨大的应用潜力。长纤维增强的机翼,机身,尾板等,均要求具有高压缩强度,然而相关研究却十分少见。复合材料中不同类型缺陷对性能的影响不尽相同,研究缺陷对性能的影响规律迫在眉睫。本试验在复合材料中人工制备了类型、尺寸确定的夹杂、分层、铝层缺陷,并通过电火花打孔来模拟结构孔洞。其中夹杂、分层和铝层缺陷的长度分别为2、4、6和8mm,厚度0.2mm,宽10mm;孔洞缺陷均为通孔,直径分别为0.3、0.45、0.55、0.8、1.4和1.8mm。研究缺陷厚度的影响时,铝层缺陷厚度分别为0.05、0.08、0.1和0.15mm,缺陷长4mm,宽10mm。缺陷经超声检测确认尺寸与位置。单向C_f/Al复合材料的纤维方向压缩强度为1337MPa,压缩模量245GPa,垂直于纤维方向的压缩强度为185MPa,压缩模量25GPa;0°/90°层合复合材料的压缩强度为584MPa,压缩模量为120GPa。±45°层合复合材料的压缩强度为200MPa,压缩模量70GPa。无缺陷复合材料的纵向压缩破坏主要由复合材料在压缩应力下的鼓起变形导致,纤维鼓出发生屈曲,进而扭折断裂引起复合材料的失效破坏;横向破坏取决于纤维/基体界面的开裂和铝基体屈服。0°/90°层合复合材料的压缩破坏取决于纵向纤维的失效破坏,不同铺层间发生层间开裂;±45°层合复合材料在压缩应力下出现层间剪切,一部分纤维沿界面发生剥离,整体滑移,另一部分纤维沿径向剪切断裂。缺陷对复合材料压缩断裂的影响主要在于纤维绕过缺陷时在边缘发生倾斜变形,在压缩应力下易于发生剪切扭折断裂,进而造成复合材料的整体破坏。层状缺陷的长度逐渐增大,复合材料的压缩强度先降后升,在单向复合材料中的降幅大于层合复合材料。拐点的位置由纤维倾斜变形和界面开裂共同决定。单向纤维增强复合材料的压缩强度对孔洞敏感,但孔洞直径的改变对压缩强度的影响较小。层合复合材料对孔洞缺陷不敏感,压缩强度随孔洞直径的增大线性下降。缺陷的厚度变化,压缩强度也随之发生改变,当厚度较小时,随着厚度的增加压缩强度线性下降。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-23
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 C_f/Al复合材料的主要缺陷类型  10
  1.3 C_f/Al复合材料的无损检测  10-13
  1.4 复合材料压缩性能及失效机制研究进展  13-22
    1.4.1 复合材料的压缩性能研究  13-17
    1.4.2 缺陷对复合材料压缩性能的影响  17-20
    1.4.3 压缩失效过程的数值模拟研究  20-22
  1.5 本课题的研究目标和主要内容  22-23
第2章 材料与试验方法  23-33
  2.1 试验材料  23-28
    2.1.1 C_f/Al复合材料成分  23-24
    2.1.2 C_f/Al复合材料制备  24
    2.1.3 C_f/Al复合材料热处理工艺  24
    2.1.4 C_f/Al复合材料人工缺陷制备  24-28
  2.2 试验方法  28-33
    2.2.1 C_f/Al复合材料密度测试  28
    2.2.2 C_f/Al复合材料超声波检测方法  28-29
    2.2.3 C_f/Al复合材料压缩性能测试  29-31
    2.2.4 C_f/Al复合材料断口形貌和显微组织观察  31
    2.2.5 C_f/Al复合材料压缩过程原位观察  31-33
第3章 C_f/Al复合材料的压缩性能  33-45
  3.1 引言  33
  3.2 无缺陷C_f/Al复合材料的显微组织  33-35
  3.3 C_f/Al复合材料的压缩性能  35-43
    3.3.1 单向C_f/Al复合材料的压缩性能  35-40
    3.3.2 正交层合C_f/Al复合材料的压缩性能  40-43
  3.4 小结  43-45
第4章 缺陷对C_f/Al复合材料压缩性能的影响  45-73
  4.1 引言  45
  4.2 缺陷对单向C_f/Al复合材料压缩性能的影响  45-60
    4.2.1 夹杂对压缩性能的影响  45-49
    4.2.2 分层对压缩性能的影响  49-52
    4.2.3 铝层对压缩性能的影响  52-54
    4.2.4 孔洞对压缩性能的影响  54-58
    4.2.5 缺陷类型对压缩性能的影响  58-60
  4.3 缺陷对层合C_f/Al复合材料压缩性能的影响  60-70
    4.3.1 夹杂对压缩性能的影响  60-62
    4.3.2 分层对压缩性能的影响  62-64
    4.3.3 铝层对压缩性能的影响  64-66
    4.3.4 孔洞对压缩性能的影响  66-69
    4.3.5 缺陷类型对压缩性能的影响  69-70
  4.4 缺陷厚度对压缩性能的影响  70-72
  4.5 小结  72-73
第5章 C_f/Al复合材料压缩断裂机理研究  73-89
  5.1 前言  73
  5.2 单向C_f/Al复合材料的压缩断裂过程  73-78
  5.3 正交层合C_f/Al复合材料的压缩断裂过程  78-81
  5.4 含夹杂缺陷的单向C_f/Al复合材料的压缩断裂过程  81-83
  5.5 含分层缺陷的单向C_f/Al复合材料的压缩断裂过程  83-87
  5.6 小结  87-89
结论  89-90
参考文献  90-94
攻读学位期间发表的学术论文  94-97
致谢  97

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属学（物理冶金） > 金属的分析试验（金属材料试验） > 机械性能（力学性能）试验 > 压缩试验
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