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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。
【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

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
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【二级参考文献】
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1 方健;基于三维结构演化表征的复合材料损伤机制研究[D];中国科学技术大学;2017年
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