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《中国科学技术大学》 2017年
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基于三维结构演化表征的复合材料损伤机制研究

方健  
【摘要】:人工制造复合材料和自然界中生物复合材料由于具有优异力学性能而为力学家和材料科学家所广泛关注。复合材料这种优异性能与其微结构组织形态、分布、以及它们之间的相互作用密切相联。因此,研究复合材料三维微结构在载荷作用下的演化过程以及相互作用机理,对于深入认识复合材料的损伤机制和力学性能分析,进而实现结构优化设计具有重要的理论意义和工程应用价值。本文针对具有简单结构的单纤维复合材料、规则交错叠片文石纤维结构的凤凰螺贝壳和复杂三维随机结构的短纤维增强复合材料开展了相关研究工作。通过亚微米分辨率的同步辐射CT实验,获得相应材料内部三维形貌演化图像(如孔洞产生、微裂纹萌生、扩展等),数值化提取真实微结构形貌和微结构变形演化信息,得到与材料力学性能相关的力学参量,结合相应的力学模型,分析揭示了复合材料不同三维结构之间的相互作用机理以及孔洞、微裂纹等萌生、扩展、演化的损伤机制。本文的主要研究内容和创新点如下:一、提出了应变集中累积诱导的微裂纹萌生机制以及纤维界面变形局部化的远程损伤机制。1)开展了单纤维复合材料损伤演化的同步辐射CT实验研究,获得了微裂纹萌生、扩展和破坏过程中的三维形貌及变形演化图像,观察到了裂纹萌生前基体内部局部大变形现象,据此提出了应变集中累积诱导的微裂纹萌生机制。2)当裂纹扩展至纤维与基体之间的界面区域,产生了局部非线性变形现象,提出裂纹尖端影响下的纤维界面变形局部化的远程损伤机制。二、揭示了交错叠片文石纤维结构微裂纹路径偏转的增韧机理。1)实验获得了凤凰螺贝壳中的三维微裂纹形貌演化,观察到了反"C"型裂纹这一特殊的损伤演化现象,提出了第一级文石纤维结构薄弱层多重开裂增韧机制。2)基于凤凰螺加载实验中观察到的网状裂纹形貌,提出了第二级文石纤维结构桥接裂纹面增韧机制。三、研究了短纤维复合材料的微损伤过程的关键机制,提出了"纤维端部聚集引发孔洞连通"的裂纹萌生模式。1)基于SR-CT实验观察到纤维端部与孔洞之间的接触关系,提出剪应力集中导致孔洞萌生的机制。研究与分析表明:纤维长度和取向决定了纤维端部的剪应力集中程度,从而也导致是否诱发孔洞萌生。2)实验观察到产生微裂纹的纤维端部聚集现象,据此提出了"纤维端部聚集引发孔洞贯通"的裂纹萌生模式。在这个模式中,相邻纤维端部临界距离le和纤维端部聚集数目Ne这两个关键结构参数起着决定性作用。最后,对全文的工作进行了总结,展示了本文的主要研究内容和结果,并提出了未来工作的方向和研究思路。
【关键词】:纤维增强复合材料 同步辐射CT 损伤机制 三维结构演化
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB33;TB301
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-11
  • 第一章 绪论11-23
  • 1.1 本文选题背景11-20
  • 1.1.1 纤维增强复合材料11-14
  • 1.1.1.1 短纤维增强复合材料11-12
  • 1.1.1.2 连续纤维增强复合材料12-14
  • 1.1.2 复合材料细观断裂力学实验研究14-16
  • 1.1.2.1 复合材料细观断裂表征实验必要性14-15
  • 1.1.2.2 复合材料细观断裂力学实验表征方法15-16
  • 1.1.3 同步辐射CT技术的发展趋势16-20
  • 1.1.3.1 同步辐射CT技术的发展16-18
  • 1.1.3.2 同步辐射CT技术在复合材料损伤演化研究中的应用18-20
  • 1.2 本文选题意义和主要内容20-23
  • 1.2.1 本文选题意义和存在的问题20-21
  • 1.2.2 本文的主要工作21-23
  • 第二章 单纤维复合材料局部化变形机理23-49
  • 2.1 引言23
  • 2.2 复合材料同步辐射CT实验技术23-33
  • 2.2.1 同步辐射CT微结构演化观测实验平台23-24
  • 2.2.2 针对0.33μm/pixel分辨率成像实验的微力加载系统优化24-26
  • 2.2.2.1 微型试件的无损安装和精确对中24-25
  • 2.2.2.2 半圆弧支撑结构刚度和遮挡角设计25-26
  • 2.2.3 变形场定量表征-DVC方法26-33
  • 2.2.3.1 数字体相关方法的原理及技术难点27-31
  • 2.2.3.2 基于并行运算的快速数字体相关算法31-33
  • 2.3 单纤维复合材料的SR-CT加载实验和结果33-38
  • 2.3.1 单纤维复合材料的制备和加载33-36
  • 2.3.2 微裂纹产生、扩展和纤维断裂的SR-CT实验结果36-38
  • 2.4 单纤维复合材料局部化变形机理38-46
  • 2.4.1 裂纹萌生前的局部应变集中累积38-42
  • 2.4.2 微裂纹抵达纤维引发的界面局部化变形42-46
  • 2.5 本章小结46-49
  • 第三章 交错叠片结构凤凰螺微裂纹偏转增韧机理49-65
  • 3.1 引言49
  • 3.2 凤凰螺贝壳拉伸SR-CT实验49-52
  • 3.2.1 凤凰螺贝壳微型加载试件的制备49-50
  • 3.2.2 提高裂纹衬度的同轴相衬成像和投影相位恢复技术50-52
  • 3.3 凤凰螺贝壳加载过程微裂纹演化的SR-CT实验结果52-59
  • 3.3.1 微裂纹止滞现象52-55
  • 3.3.2 微裂纹偏转现象55-59
  • 3.4 凤凰螺交错叠片纤维结构导致裂纹偏转增韧机理分析59-63
  • 3.4.1 第一级砖石纤维结构薄弱层多重开裂增韧59-62
  • 3.4.2 第二级砖石纤维结构桥接裂纹面增韧62-63
  • 3.5 本章小结63-65
  • 第四章 三维随机取向短纤维增强复合材料微损伤机理65-91
  • 4.1 引言65
  • 4.2 三维随机短纤维增强复合材料裂纹萌生过程SR-CT实验观察65-68
  • 4.3 三维随机短纤维微观结构的定量表征68-77
  • 4.3.1 SR-CT实验图像中三维随机取向纤维实体分离68-75
  • 4.3.1.1 直接阈值分割带来的纤维粘连问题68-71
  • 4.3.1.2 引入先验知识的三维分水岭算法分割纤维71-75
  • 4.3.2 SR-CT实验图像中三维随机取向纤维几何参量提取75-77
  • 4.4 考虑真实三维随机取向纤维结构环境的微损伤机制77-88
  • 4.4.1 纤维端部应力集中导致的孔洞形成77-83
  • 4.4.1.1 复合材料中纤维的应力传递模型77-79
  • 4.4.1.2 纤维长度和纤维取向对孔洞形成的影响79-80
  • 4.4.1.3 纤维相对位置关系对孔洞形成的影响80-83
  • 4.4.2 纤维端部聚集导致的裂纹萌生模式83-88
  • 4.4.2.1 纤维端部距离和相邻纤维端部数目对微裂纹萌生的影响84-87
  • 4.4.2.2 纤维表面氧化处理对对微裂纹萌生的影响87-88
  • 4.5 本章小节88-91
  • 第五章 全文工作总结与未来展望91-95
  • 5.1 全文工作总结91-92
  • 5.2 本文创新之处92-93
  • 5.3 未来工作展望93-95
  • 参考文献95-107
  • 致谢107-109
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果109

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 毛灵涛;孙倩文;袁则循;刘永亮;刘红彬;;基于CT图像的混凝土单轴压缩裂隙与应变场分析[J];建筑材料学报;2016年03期
2 毛灵涛;袁则循;连秀云;彭瑞东;刘红彬;;基于CT数字体相关法测量红砂岩单轴压缩内部三维应变场[J];岩石力学与工程学报;2015年01期
3 王改云;杨小娟;;改进的分水岭算法在图像分割中的研究[J];电子设计工程;2014年10期
4 牛永强;胡秋实;闫德莹;刘贵全;胡小方;许峰;缪泓;张忠;;基于数字图像体相关的物体内部三维位移场分析[J];实验力学;2011年03期
5 汪敏;岑豫皖;胡小方;谢能刚;徐德义;;加权窗口在数字图像相关技术中的应用研究[J];光子学报;2008年12期
6 徐伟;王希常;郑志宽;;一种基于改进分水岭算法的图像分割方法[J];计算机技术与发展;2008年12期
7 陈芬;肖扬;;多级水脊线算法在二维医学超声图像中的应用[J];计算机与数字工程;2007年05期
8 汪敏;胡小方;伍小平;;物体内部三维位移场分析的数字图像相关方法[J];物理学报;2006年10期
9 黄凤萍,李缨;碳纤维及其复合材料的发展[J];陶瓷;2005年10期
10 张立群,金日光,陈松,耿海萍,伍社毛,周彦豪;短纤维橡胶基复合材料模量的理论预测[J];材料研究学报;1998年06期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 谢文健;龚囱;刘勇锋;赵奎;李海港;;分级加载条件下红砂岩蠕变特性试验研究[J];中国安全生产科学技术;2017年06期
2 邵新星;陈振宁;戴云彤;代祥俊;Mokhtar Mohammed;徐莹雋;王澄非;戴美玲;朱程鹏;刘聪;杨福俊;何小元;;数字图像相关方法若干关键问题研究进展[J];实验力学;2017年03期
3 邹国华;;振动环境下运动目标图像精确检测仿真[J];计算机仿真;2017年06期
4 潘兵;王博;;数字体图像相关方法研究进展[J];科学通报;2017年16期
5 李泽宇;陈一民;赵艳;朱立峰;吕圣卿;陆佳辉;;拟合正态分布曲线的肺野图像分割与三维重建[J];计算机工程与设计;2017年05期
6 刘京红;史攀飞;杨跃飞;王印;刘子倩;;基于CT试验的混凝土裂纹扩展演化研究[J];混凝土;2017年04期
7 左洋;谢玉萍;孔静;杨耀东;杨春晟;;碳纤维预浸料挥发分测试方法改进[J];化学分析计量;2017年01期
8 吴文柽;孙悦;江铃玲;王舟欣;曹龙飞;;导电介质含量对材料介电常数、频散特性的研究[J];山东工业技术;2017年01期
9 程燕婷;孟家光;刘青;张琳玫;;碳纤维-环氧树脂复合材料的制备及力学性能表征[J];合成纤维;2016年03期
10 汤积仁;卢义玉;孙惠娟;葛兆龙;夏彬伟;李倩;;基于CT方法的磨料射流冲蚀损伤岩石特性研究[J];岩石力学与工程学报;2016年02期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 毛灵涛;Fu-pen Chiang;袁则循;;基于CT的数字体散斑法测量物体内部三维变形场[J];光学学报;2015年03期
2 毛灵涛;连秀云;郝丽娜;;基于数字体图像三维裂隙的分形计算及应用[J];中国矿业大学学报;2014年06期
3 袁则循;毛灵涛;彭瑞东;刘红彬;连秀云;;CT孔隙岩石内部三维变形场数字实验[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2014年08期
4 毛灵涛;李磊;连秀云;薛茹;袁则循;;路面底基层材料单轴加载细观破裂过程的ICT观测[J];公路;2014年01期
5 潘兵;吴大方;郭保桥;;数字体图像相关方法中基于迭代最小二乘法的物体内部变形测量[J];实验力学;2011年06期
6 潘兵;吴大方;谢惠民;胡振兴;;基于梯度的数字体图像相关方法测量物体内部变形[J];光学学报;2011年06期
7 宋义敏;马少鹏;杨小彬;王显;;岩石变形破坏的数字散斑相关方法研究[J];岩石力学与工程学报;2011年01期
8 刁智华;赵春江;郭新宇;陆声链;王秀徽;;分水岭算法的改进方法研究[J];计算机工程;2010年17期
9 刘招伟;李元海;;含孔洞岩石单轴压缩下变形破裂规律的实验研究[J];工程力学;2010年08期
10 唐晓强;赖惠成;;形态学结构元素选取算法的研究[J];通信技术;2010年07期
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