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复合材料的氧化损伤及高温力学性能研究

丁学忠  
【摘要】:现代科学技术的飞速发展,迫切要求发展高温高强度材料。在火箭导弹、超音速飞机、宇宙航行、现代冶金、电子技术以及新能源等技术领域中,复合材料不仅要求具有耐高温性能,而且还分别要求具有抗热冲击性、耐腐蚀性、抗氧化性以及电子方面的性能。高温复合材料由于其良好的耐高温性近年来得到了广泛的应用,因此成为力学与材料科学领域研究的热点,因此,本文在实验观测和理论研究的基础上研究了复合材料在高温条件下的力学性能及其相关的变化规律,为复合材料在结构设计、强度与寿命分析等方面提供了一定的理论基础。 本文主要研究内容如下: 1.通过修正Eshelby等效夹杂理论研究了粒子增强复合材料的粘弹性力学性质。首先给出该复合材料的粘弹性模型,然后通过引入Heaviside阶梯函数和Laplace变换,得到该材料含有应变率的蠕变本构方程,最后借助于等效夹杂理论通过引入割线模数给出了Glass/ED6增强复合材料与时间和体积相关的模量预测。计算结果与试验吻合较好,且表明复合材料粘弹性主要取决于复合材料基体的粘弹性行为。该模型能够很好的预测复合材料内部夹杂物的形状、体积函数及加载路径之间的关系。该理论的建立,为进一步考虑复合材料的高温蠕变提供了必要支持; 2.基于Eshelby等效夹杂理论,利用三参数粘弹性本构模型,本文研究了Glass/ED6短纤维增强复合材料的粘弹性响应机理,并对该材料动态剪切模量及碳/环氧材料热膨胀系数随温度变化的规律进行了预报。结果表明,材料的剪切模量与组分间的体积分数以及加载频率间联系紧密,有效热膨胀系数与温度密切相关。通过μR·ω,μI·ω,μR·f,μI·f和α··△T曲线可以发现,当加载频率值较高时,动态剪切模量主要由实部决定;而当纤维的体积分数较大时,动态剪切模量的变化主要由虚部决定,这将使材料力学性能计算过程得到简化。针对碳/环氧材料,通过研究发现随着温差的增大,材料的热膨胀系数随之下降。本文工作将会为材料设计及实际工程应用提供理论依据。 3.本文研究了ZrB2siC陶瓷在高温环境下的氧化行为,结合Arrhenius方程及细观力学理论,给出了增强相、气孔相与基体相随温度变化的规律。根据Eshelby等效夹杂理论,预报了高温下复合材料的力学性能,给出了弹性模量与孔隙率随温度变化的规律,这将为高温陶瓷材料的后续研究提供依据。 4.在已有国内外关于温度作用下复合材料热力学行为研究的基础上,基于材料微结构特征参量的分析,建立热/力耦合条件下复合材料的热-力学耦合分析模型,然后从热传导和热力学的相关理论出发,针对在热荷载作用下的复合材料酚醛树脂基体力学性能进行了数值模拟,得出了一系列有益的结论。


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