基于三維結(jié)構(gòu)演化表征的復(fù)合材料損傷機(jī)制研究.pdf

1、人工制造復(fù)合材料和自然界中生物復(fù)合材料由于具有優(yōu)異力學(xué)性能而為力學(xué)家和材料科學(xué)家所廣泛關(guān)注。復(fù)合材料這種優(yōu)異性能與其微結(jié)構(gòu)組織形態(tài)、分布、以及它們之間的相互作用密切相聯(lián)。因此，研究復(fù)合材料三維微結(jié)構(gòu)在載荷作用下的演化過程以及相互作用機(jī)理，對于深入認(rèn)識復(fù)合材料的損傷機(jī)制和力學(xué)性能分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文針對具有簡單結(jié)構(gòu)的單纖維復(fù)合材料、規(guī)則交錯(cuò)疊片文石纖維結(jié)構(gòu)的鳳凰螺貝殼和復(fù)雜三維隨機(jī)結(jié)構(gòu)的短纖維增

2、強(qiáng)復(fù)合材料開展了相關(guān)研究工作。通過亞微米分辨率的同步輻射CT實(shí)驗(yàn)，獲得相應(yīng)材料內(nèi)部三維形貌演化圖像（如孔洞產(chǎn)生、微裂紋萌生、擴(kuò)展等），數(shù)值化提取真實(shí)微結(jié)構(gòu)形貌和微結(jié)構(gòu)變形演化信息，得到與材料力學(xué)性能相關(guān)的力學(xué)參量，結(jié)合相應(yīng)的力學(xué)模型，分析揭示了復(fù)合材料不同三維結(jié)構(gòu)之間的相互作用機(jī)理以及孔洞、微裂紋等萌生、擴(kuò)展、演化的損傷機(jī)制。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　一、提出了應(yīng)變集中累積誘導(dǎo)的微裂紋萌生機(jī)制以及纖維界面變形局部化的遠(yuǎn)

3、程損傷機(jī)制。
　　1)開展了單纖維復(fù)合材料損傷演化的同步輻射CT實(shí)驗(yàn)研究，獲得了微裂紋萌生、擴(kuò)展和破壞過程中的三維形貌及變形演化圖像，觀察到了裂紋萌生前基體內(nèi)部局部大變形現(xiàn)象，據(jù)此提出了應(yīng)變集中累積誘導(dǎo)的微裂紋萌生機(jī)制。
　　2)當(dāng)裂紋擴(kuò)展至纖維與基體之間的界面區(qū)域，產(chǎn)生了局部非線性變形現(xiàn)象，提出裂紋尖端影響下的纖維界面變形局部化的遠(yuǎn)程損傷機(jī)制。
　　二、揭示了交錯(cuò)疊片文石纖維結(jié)構(gòu)微裂紋路徑偏轉(zhuǎn)的增韌機(jī)理。
　　

4、1)實(shí)驗(yàn)獲得了鳳凰螺貝殼中的三維微裂紋形貌演化，觀察到了反“C”型裂紋這一特殊的損傷演化現(xiàn)象，提出了第一級文石纖維結(jié)構(gòu)薄弱層多重開裂增韌機(jī)制。
　　2)基于鳳凰螺加載實(shí)驗(yàn)中觀察到的網(wǎng)狀裂紋形貌，提出了第二級文石纖維結(jié)構(gòu)橋接裂紋面增韌機(jī)制。
　　三、研究了短纖維復(fù)合材料的微損傷過程的關(guān)鍵機(jī)制，提出了“纖維端部聚集引發(fā)孔洞連通”的裂紋萌生模式。
　　1)基于SR-CT實(shí)驗(yàn)觀察到纖維端部與孔洞之間的接觸關(guān)系，提出剪應(yīng)力集中導(dǎo)