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UHPC中钢纤维的增强机理:一种新的断裂相场模型

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Journal of Central South University 2024年第1期31卷 225-236页

作者：赵冰李先正潘军彭晖彭旭龙张振浩宋战平赵漠雨 School of Civil Engineering Changsha University of Science and TechnologyChangsha 410004China College of Civil Engineering Xi’an University of Architecture&TechnologyXi’an 710055China School of Materials Science and Engineering Northeastern UniversityShenyang 110167China

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有巨大潜力的复合材料。为了降低UHPC的成本并获得更好的性能,有必要研究钢纤维在UHPC中的增强机理,实践中也需要一个有效的数值模型来促进UHPC的应用。钢纤维从UHPC中拔出时会产生新的裂纹面,进而需要消... 详细信息

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有巨大潜力的复合材料。为了降低UHPC的成本并获得更好的性能,有必要研究钢纤维在UHPC中的增强机理,实践中也需要一个有效的数值模型来促进UHPC的应用。钢纤维从UHPC中拔出时会产生新的裂纹面,进而需要消耗更多的能量。基于此,推导了新裂纹及其裂纹表面能的公式,提出了一种考虑钢纤维与UHPC基体之间界面断裂能的断裂相场模型。利用该模型,对含钢纤维的三维UHPC试样进行了单轴拉伸数值模拟;开展对比实验验证了所提模型的正确性。结果表明,模拟结果与实验结果吻合较好。通过分析不同试样的新裂纹面与拉伸强度间的关系,发现UHPC的抗拉强度和残余强度随钢纤维体积含量的增加而增加,随钢纤维直径的增加而降低。进一步分析发现,UHPC的抗拉强度与钢纤维的侧表面积成正比。理论分析、数值模拟和实验表明,钢纤维在UHPC中的增强机理为:钢纤维的加入使UHPC基体与钢纤维在断裂过程中产生了一些新的裂纹,这些新裂纹消耗了更多的能量。本文研究工作可为UHPC的性能设计和开发有效的UHPC数值模型提供理论依据。

关键词：超高性能混凝土钢纤维断裂相场法拉伸强度增强机理裂纹表面能

中间层厚度对TLP扩散连接TC4钛合金接头组织和性能的影响

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稀有金属材料与工程 2023年第7期52卷 2582-2587页

作者：林彤谢红杨卫鹏赵文岐司晓庆李淳张迪褚强亓钧雷曹健哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室黑龙江哈尔滨150001 西安航天发动机有限公司陕西西安710100

采用电沉积Ni/Cu层作为中间层实现了TC4钛合金瞬时液相(transient liquid phase,TLP)扩散连接,采用扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪研究了Cu层厚度对TC4钛合金TLP连接接头界面微观组织和力学性能的影响,并结合Ti-Cu和Ti-Ni二元相... 详细信息

采用电沉积Ni/Cu层作为中间层实现了TC4钛合金瞬时液相(transient liquid phase,TLP)扩散连接,采用扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪研究了Cu层厚度对TC4钛合金TLP连接接头界面微观组织和力学性能的影响,并结合Ti-Cu和Ti-Ni二元相图阐明了反应机制。结果表明,TLP扩散连接接头的典型界面组织为TC4/α-Ti+Ti_(2)(Cu,Ni)/TC4。随着电沉积Cu层厚度增加,扩散层和焊缝宽度增加,接头中央未焊合的孔洞消失,反应层中开始出现连续的Ti_(2)(Cu,Ni)金属间化合物层且宽度逐渐增加。接头抗拉强度在电沉积Cu层厚度为15μm时达到最大值500 MPa。断口分析表明,所有TLP扩散连接接头均以解理断裂方式在焊缝处断裂。

关键词： TC4钛合金瞬时液相扩散连接中间层厚度界面组织拉伸强度

液体丁腈橡胶增韧丁腈橡胶/硫酸铜复合材料的制备及再加工性能

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高分子材料科学与工程 2024年第3期40卷 48-55页

作者：李西飞赵菊兰邵卓妍李秋影华东理工大学材料科学与工程学院上海200237

在笔者课题组之前的工作中,成功地制备和分析了无水硫酸铜(CuSO_(4))填充丁腈橡胶(NBR)复合材料(NBR/CuSO_(4)),结果表明,CuSO_(4)的加入有效地提高了橡胶的强度,但同时也牺牲了断裂伸长率和可回收性,其实际应用受到了限制。文中使用低... 详细信息

在笔者课题组之前的工作中,成功地制备和分析了无水硫酸铜(CuSO_(4))填充丁腈橡胶(NBR)复合材料(NBR/CuSO_(4)),结果表明,CuSO_(4)的加入有效地提高了橡胶的强度,但同时也牺牲了断裂伸长率和可回收性,其实际应用受到了限制。文中使用低分子量的液体丁腈橡胶(LNBR)增韧NBR/CuSO_(4),并制备了具有高力学性能和优异可回收性的NBR/CuSO_(4)/LNBR复合材料。X射线衍射、硫化曲线、差示扫描量热分析结果表明,LNBR对CuSO_(4)与NBR的配位反应具有抑制作用;扫描电镜结果表明,LNBR降低了NBR/CuSO_(4)的交联密度。当LNBR的含量为4 phr时,断裂伸长率为583.0%、拉伸强度高达34.2 MPa、断裂能为71.58 MJ/m^(3)。此外,LNBR的加入促进了Cu-腈基(—CN)配位键的断裂和重建,从而提高了NBR/CuSO_(4)/LNBR复合材料的回收能力,其中的一种复合材料经二次加工后的回收率保持在93.6%。

关键词：丁腈橡胶液体丁腈橡胶配位交联拉伸强度循环加工

CNT对树脂基和金属基材料的力学增强性能对比

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北京理工大学学报 2023年第11期43卷 1187-1196页

作者：朱秀芳卢国兴马书香周宏元张宏北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081 北京理工大学重庆创新中心重庆401120 斯威本科技大学工程科学与技术学院墨尔本Vic3122 北京工业大学教育部城市安全与灾害工程重点实验室北京100124

碳纳米管(CNT)不仅具有质量轻、强度高等优异的力学性能,而且化学性质稳定、耐酸碱腐蚀,因此被广泛应用于复合材料中.为探究不同基体中CNT力学增强差异的原因,对CNT增强树脂基和铝合金基两种复合材料进行了准静态拉伸、三点弯和动态冲... 详细信息

碳纳米管(CNT)不仅具有质量轻、强度高等优异的力学性能,而且化学性质稳定、耐酸碱腐蚀,因此被广泛应用于复合材料中.为探究不同基体中CNT力学增强差异的原因,对CNT增强树脂基和铝合金基两种复合材料进行了准静态拉伸、三点弯和动态冲击实验,进一步揭示了CNT在不同基体中的增强机制.研究结果表明:CNT可以有效提高树脂材料拉伸强度和冲击吸能,并且发现当CNT质量分数为0.7%时增强效果最佳;而对于铝合金,添加CNT会降低材料强度,并且CNT质量分数越高,材料拉伸强度越低.金属基和树脂基加入CNT后力学增强效果不同的本质在于CNT与基体的界面结合性不同,树脂基初始状态为液体,固化后CNT可以填充在基体网络缝隙中,进而增强材料力学性能;而铝合金基为粉体,机械力分散使CNT产生损伤且CNT的存在导致粉体间缝隙变大,进而削弱材料力学性能.研究成果可为CNT复合材料的制备与优化提供参考.

关键词：碳纳米管复合材料拉伸强度环氧树脂铝合金

碳纤维复合材料胶铆混合修理结构静载拉伸失效

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航空学报 2023年第24期44卷 225-238页

作者：刘礼平齐雨阳蔺越国鲍蕊徐建新冯振宇卿光辉中国民航大学航空工程学院天津300300 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083 中国民航大学安全科学与工程学院天津300300

针对碳纤维复合材料胶铆混合修理结构静载拉伸失效,对碳纤维复合材料完好板和胶铆混合修理结构进行了静载拉伸实验,分析了完好板和胶铆混合修理结构的承载能力、加载过程的应变分布特性以及两者的失效模式;通过有限元仿真分析了胶铆混... 详细信息

针对碳纤维复合材料胶铆混合修理结构静载拉伸失效,对碳纤维复合材料完好板和胶铆混合修理结构进行了静载拉伸实验,分析了完好板和胶铆混合修理结构的承载能力、加载过程的应变分布特性以及两者的失效模式;通过有限元仿真分析了胶铆混合修理结构胶层和母板的损伤起始、损伤扩展;对胶铆混合修理结构不同位置的铆钉进行分区受载研究,以分析混合修理结构在拉伸载荷作用下的受力模式和传力路径,进一步揭示胶铆混合修理结构的失效模式。研究结果表明,胶铆混合修理结构在静载拉伸下,胶层首先在拉伸导致的偏心载荷引起补片翘曲所产生的剥离应力和拉伸时的横向切应力共同作用下,沿载荷方向两侧边缘开始失效并向内扩展。胶层大部分失效后,母板失效先从90°铺层外排铆钉孔边起始,沿垂直于载荷方向扩展,随后±45°铺层和0°铺层先后出现同样损伤。混合修理结构在拉伸时由胶层和铆钉共同将一部分拉伸载荷从母板传递到补片上,提升了混合修理结构的力学性能。

关键词：复合材料胶铆混合修理有限元分析失效模式拉伸强度

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非饱和土拉伸特性的三维离散元分析

应用基础与工程科学学报 2022年第5期30卷 1228-1244页

作者：蔡国庆王春莹李继光许自立何旭珍赵成刚北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 福建省建筑科学研究院福建福州350025 悉尼科技大学土木与环境工程学院悉尼澳大利亚1180

以非饱和材料离散元试样生成法为基础,对PFC^(3D)(Particle Flow Code in Three Dimensions)颗粒流离散元分析程序进行改进,建立了同时适用于黏土与砂土的单轴拉伸离散元模型,并对单轴拉伸应力-位移关系及单轴抗拉强度开展研究;探究了... 详细信息

以非饱和材料离散元试样生成法为基础,对PFC^(3D)(Particle Flow Code in Three Dimensions)颗粒流离散元分析程序进行改进,建立了同时适用于黏土与砂土的单轴拉伸离散元模型,并对单轴拉伸应力-位移关系及单轴抗拉强度开展研究;探究了不同细观参数对土体拉伸破坏的影响,并以单轴抗拉强度为桥梁,建立了饱和度与颗粒间黏结强度的关系;进行了不同初始孔隙比和饱和度下黏土与砂土的单轴拉伸数值模拟,研究了非饱和土的拉伸特性及利用离散元模拟非饱和土的适用性.结果表明:在法向黏结强度、切向黏结强度、杨氏模量、刚度比、摩擦系数这5个细观参数中,法向黏结强度对抗拉强度的影响最大,切向黏结强度、杨氏模量、刚度比次之,而摩擦系数的影响最小;黏土的单轴抗拉强度随饱和度的增加呈现先增大后减小的趋势,并且单轴抗拉强度在左侧(干侧)的增加速度大于在右侧(湿侧)的减小速度;砂土的单轴抗拉强度随着饱和度的增加表现出“增大-减小-增大”的规律;模拟所得规律与室内实验结果具有较高的一致性,验证了在模拟非饱和材料单轴拉伸特性时该离散元模型及数值分析程序的适用性.

关键词：非饱和土离散元法宏-细观参数饱和度拉伸强度黏结强度

一种基于材料细观特征量的PBX拉伸强度理论模型

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爆炸与冲击 2023年第1期43卷 119-126页

作者：李克武胡秋实郑贤旭李涛傅华唐维中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999 中国工程物理研究院化工材料研究所四川绵阳621999

为给塑性黏结炸药(PBX)的力学强度设计提供支撑、探索材料细观特征量与材料强度之间的定量规律,应用微裂纹扩展区理论,将PBX炸药的单轴拉伸过程中力学响应特征的变化归结为扩展裂纹取向角度的增加,将扩展裂纹最大取向角与拉伸强度相关联... 详细信息

为给塑性黏结炸药(PBX)的力学强度设计提供支撑、探索材料细观特征量与材料强度之间的定量规律,应用微裂纹扩展区理论,将PBX炸药的单轴拉伸过程中力学响应特征的变化归结为扩展裂纹取向角度的增加,将扩展裂纹最大取向角与拉伸强度相关联,构建了基于材料细观特征量的拉伸强度理论模型,并采用不同温度的单轴拉伸实验验证了该理论模型的有效性。研究表明:该拉伸强度理论模型可以实现对PBX炸药拉伸强度与炸药微裂纹密度、颗粒/黏结剂界面性能以及颗粒/黏结剂体系的表观杨氏模量、泊松比等细观特征量之间关系的定量描述。

关键词：塑性黏结炸药拉伸强度理论模型细观损伤微裂纹扩展区理论

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高温热处理对国产二代SiC纤维性能影响

哈尔滨工业大学学报 2022年第5期54卷 43-48页

作者：皮慧龙王一光西北工业大学材料学院西安710072 北京理工大学先进结构技术研究院北京100081

SiC纤维具有良好的耐高温抗氧化特性,是陶瓷基复合材料的关键原材料之一。在高温陶瓷基复合材料制备过程及实际服役过程中,均需对SiC纤维进行高温热处理。为了获得SiC纤维在高温工艺过程及高温服役过程中的性能变化规律,通过对SiC纤维... 详细信息

SiC纤维具有良好的耐高温抗氧化特性,是陶瓷基复合材料的关键原材料之一。在高温陶瓷基复合材料制备过程及实际服役过程中,均需对SiC纤维进行高温热处理。为了获得SiC纤维在高温工艺过程及高温服役过程中的性能变化规律,通过对SiC纤维进行高温氩气和空气环境热处理,研究了热处理对SiC纤维拉伸性能及微观形貌等的影响,并对支撑纤维的工艺性能和使用性能进行了分析。将国产二代SiC纤维分别置于1000℃的氩气环境和空气环境热处理30 h,并采用纤维电子强力仪测试了纤维的拉伸性能;使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)及拉曼光谱等分析手段,分析了SiC纤维的微观结构及化学成分的演变情况;探讨了SiC纤维高温氧化过程、纤维表面变化与力学性能衰退之间的关系。研究结果表明:国产二代SiC纤维在1000℃氩气环境热处理30 h后,其性能基本不变化,纤维内部SiC微晶结晶度提高有利于性能提升;而1000℃空气环境热处理30 h使得SiC纤维表面氧化出现SiO_(2)层及孔洞,初始光滑的纤维表面变粗糙,导致SiC纤维拉伸强度显著降低约26%。

关键词： SiC纤维氧化损伤拉伸强度热处理结晶高温

基于巴西圆盘试验的国产石墨拉伸强度及特性研究

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原子能科学技术 2023年第3期57卷 591-599页

作者：田冬青史力孙立斌申克徐昆清华大学核能与新能源技术研究院先进核能技术协同创新中心北京100084 生态环境部华北核与辐射安全监督站北京100029 湖南大学材料科学与工程学院湖南长沙410082

拉伸强度是石墨构件设计和结构完整性评价的一个重要参数,为研究国产石墨的拉伸强度及试样尺寸、石墨颗粒粒径、微观组织等对拉伸强度的影响,本文选用3种典型国产石墨,即粗颗粒、细颗粒和超细颗粒石墨,对每种石墨的4种不同尺寸规格的试... 详细信息

拉伸强度是石墨构件设计和结构完整性评价的一个重要参数,为研究国产石墨的拉伸强度及试样尺寸、石墨颗粒粒径、微观组织等对拉伸强度的影响,本文选用3种典型国产石墨,即粗颗粒、细颗粒和超细颗粒石墨,对每种石墨的4种不同尺寸规格的试样在拉伸试样机上开展巴西圆盘试验,采用高速相机捕捉劈裂破坏过程,使用扫描电镜观测断口形貌。对比分析了裂纹的扩展过程及破坏形式,测得了拉伸强度并分析了其分布特点,研究了试样尺寸、石墨颗粒粒径、微观组织等对拉伸强度的影响。结果表明:石墨劈裂试验过程满足巴西圆盘试验有效性的要求,试样尺寸越大,石墨颗粒粒径越大,越易产生二次裂纹和局部压缩破坏;通常石墨拉伸强度随试样尺寸的增大而增大,但试样尺寸较小时要综合考虑试样尺寸和颗粒粒径的影响,且材料密度越小尺寸效应越明显;石墨拉伸强度随颗粒粒径的增大呈下降趋势,表现出显著的颗粒粒径效应;石墨拉伸强度具有较大的分散性,其与石墨颗粒粒径表现出明显的相关性,细颗粒石墨拉伸强度的均匀性较粗颗粒石墨好得多,同时超细颗粒石墨明显优于细颗粒石墨;石墨的微观组织对拉伸强度有显著影响,粗颗粒石墨有较多较大的原生孔隙等缺陷,其拉伸强度最小,细颗粒石墨次之,超细颗粒石墨最大。

关键词：石墨巴西圆盘试验拉伸强度尺寸效应颗粒粒径效应