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预应力陶瓷与层状陶瓷复合材料应力分析与设计

苏盛彪  
【摘要】: 残余应力对材料失效或增强起着关键作用。目前,层状陶瓷复合材料的研究日趋深入,然而准确、有效地确定其残余应力的理论计算和测试方法还比较匮乏。残余应力的理论计算和测试是材料学、力学和应用物理学等学科交叉领域的前沿课题。本论文就是在这一领域中做的一些工作。 层状陶瓷材料由于各层膨胀系数的差异,在材料制备过程中由高温冷却到常温阶段,必将在材料内部产生残余应力。这种残余应力在强界面结合的层状材料中更为突出。本论文以强界面结合的层状材料为研究对象,建立了更为符合层状材料实际的非均匀应变模型,系统地研究了层状结构中残余应力的存在状态,证明了轴向残余应力为沿材料长度方向的位置函数,并非常量:首次论证了界面正应力的存在,给出形式简洁、物理意义明确的残余应力计算的解析表达式。在此基础上,通过进一步的分析,提出了基于几何结构因素的层状材料最优化设计原则。 通过对氧化铝/钛硅碳、氧化铝-氧化锆/氧化铝-氧化锆强界面层状材料的实验研究,进一步明确了强界面结合的层状材料制备所应遵循的一些基本原则。探讨了材料强度、模量、断裂功等与材料结构几何因素层厚比、层数等的关系。结果表明,最佳层厚比受控于材料的几何结构和弹性常数,本实验中,A-10Z/A-30Z三层试样最佳层厚比在2.49~4.45之间,抗弯强度由单一块体的451MPa提高到867MPa。实验表明强界面层状材料,层数的增加对材料强度的提高并不有利。相比之下,三层、五层复合具有最佳的强度性能。这进一步地印证了本优化设计理论的正确性。 通过维氏压痕平行于试样长度方向和垂直于长度方向的裂纹C_n,C_n在试样不同位置的变化,实验验证了试样中沿长度方向残余应力的变化规律。结果表明,理论计算值与实验值吻合。分析了A-10Z/A-30Z,A/TSC层状材料的球压损伤行为,实测了A-10Z/A-30Z层状材料的局部强度和残余应力水平。建立了一个简便的陶瓷及层状陶瓷材料残余应力的测试方法。 通过A-10Z/A-30Z,A/TSC层状复合材料在不同温度下的循环特征,探讨了材料在不同温度下的弹性模量与循环的关系。提出了测量材料高温弹性模量及表征材料高温塑性的一个简明、准确的新方法。通过对材料应力松弛和蠕变的研究,进一步明确了材料在高温下的行为特征及初始应力水平、温度、层合结构等因素的影响。结果表明,层合材料的松弛和蠕变受控于组成材料中高温性能较弱的材料。 通过对氧化铝/铝合金预应力材料的初步研究,充分显示了预应力材料在防弹、抗穿甲方面的实用价值。为层状陶瓷材料的实际应用作了一个有意义的尝试。


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