复合材料变形演化的微结构调控机制实验研究
发布时间：2022-01-22 18:49
材料的增强与增韧为结构优化设计提供基础。然而,材料或构件的变形失效往往起始于内部,材料的结构演化和变形分析需要强有力的三维表征手段。本文结合SR-CT与DVC,以短纤维增强和胶原纤维增韧的材料三维结构演化与内部应变分析为对象进行了研究。首先,对材料内部微结构表征和三维应变演化的必要性进行了探讨,阐明了两者对材料力学性能分析的重要性,彰显了 SR-CT与DVC结合对研究材料变形失效过程中微结构调控机制的重要前景。其次,通过对SR-CT力学加载设备的改进,大幅提高了有效投影角度,实现了三维应变与结构演化的关联分析。然后,结合SR-CT与DVC方法分别对增强材料（纤维增强树脂基复合材料）和增韧材料（胶原纤维增韧鹿角材料）进行了实验研究;开展了短纤维增强复合材料内部变形失效机制行为的实验研究,表征了结构分布与应变演化的耦合作用,分析了结构和应变与材料力学性能的关联机制;开展了生物多孔结构材料鹿角的内部力学行为实验分析,发现了内部微裂纹附近的应变集中与微结构演化新现象,提出了损伤失效与增韧机制。本文的主要研究内容如下:一、改进了 SR-CT力学加载设备的支撑部件,大幅提高了有效投影角度,为材料撤...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２均匀化方法应用于三维排布的短纤维复合材料［１４］??
?第一章绪论???动物的骨质是由胶原分子和羟基磷灰石矿物晶体组成的一种材料，它形成了??一种极其坚韧、重量轻、适应性强的多功能材料。骨骼在进化过程中为生物体提??供了结构上的支持，因此其力学特性具有重要的意义［３５］，如图１．３所示是骨骼??的结构与增韧机制。鹿角是自然界軔性最好的材料之一，鹿角在角骨类材料中的??失效应变是最高的。它的极限拉仲应变约为１２％，比人类骨骼高出５倍。在损伤??演化过程中，鹿角最大程度上发挥了其对外在断裂的抵抗。其断裂初性是人体骨??骼的１０倍左右。图１．４所示是鹿角与骨质材料的韧性对比［３６］。类似于人类的骨??骼，鹿角的这种增韧的外在成分与横向（断裂）方向上的大范围裂纹挠曲和扭曲??以及纵向（裂口）方向上的未开裂桥联有关。这两个过程均是由骨质的高矿化界??面上广泛的微裂纹驱动的。与人类骨骼相比，鹿角的韧性更好但是强度不那么强，??这突出了生物材料中强度和軔性的重要区别。为了揭示角骨获得其抗断裂能力的??基本原因，需要结合内在塑性机制和外在裂纹挠曲／扭转和裂纹桥接机制，而这??两种机制分别来自亚微米级和微米以上尺寸，需要进一步的细观实验研宄。??１００｜?＇?１???？???！?３??３?ｆｃ）?Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ
测技术（ｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ?ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ＮＤＴ），以检测材料变形过程中发生的力学??损伤［５５，?５６］。对先进复合材料来说，主要有基于声波的技术和基于成像的技术，??如果材料可以导电还可以使用涡流或基于电阻率的技术［５７，５８］。基于声波的技术??有声发射（ａｃｏｕｓｔｉｃ?ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ＡＥ［５９］）、超声波（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ?ｗａｖｅｓ［６０］）、非线性??声学（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ?ａｃｏｕｓｔｉｃｓ［６１］）；基于成像的技术有数字图像相关（ｄｉｇｉｔａｌ?ｉｍａｇｅ??ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，ＤＩＣ［６２］），Ｘ?射线照相（Ｘ－ｒａｙ?ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ［６３］），断层扫描技术??（ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ?ａｎｄ?ｍｉｃｒｏ－ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ［６４］），红夕卜热成像（ｉｎｆｒａｒｅｄ??ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ［６５］），散斑干涉法（ｓｈｅａｒｏｇｒａｐｈｙ?［６６］），太赫兹（ｔｅｒａｈｅｒｔｚ［６７］）。??图１．５所示是超声检测和太赫兹检测对复合材料的应用。中子衍射方法［６８－７１］可??以测量晶体材料内部三维应变和应力等信息，如残余应变Ｒ２，７３］、内部应力演化??［７４－７６】、强度与损伤演化［７７，７８］，是一种重要的无损检测手段。这些方法大多只??能对微观结构演变信息提供低分辨率图像或仅能够反映材料的表面形貌和成分??信息，或只能适用于金属等晶体材料。对于含复杂微结构的纤维增强材料或多孔??结构材料来说，低分辨的、表面检测的实验方法是不足以准确表征其结构变形演??化特征的。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于先进光源的内部力学行为实验研究进展[J]. 许峰,胡小方. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(09)
[2]X射线断层扫描在材料力学行为研究中的应用[J]. 王龙,冯国林,李志强,吴建国,张伟. 强度与环境. 2017(06)
[3]数字体图像相关方法研究进展[J]. 潘兵,王博. 科学通报. 2017(16)
[4]同步辐射光束线束斑形状实时分析技术[J]. 张春波,汪启胜,黄胜,何建华. 核技术. 2015(05)
[5]同步辐射硬X射线成像用于小动物脑血管结构与功能的研究[J]. 和友,肖体乔,Michel MOENNER. 生命科学. 2013(08)
[6]阳极Ni–YSZ添加CeO2对固体氧化物燃料电池性能的影响[J]. 王乐莹,罗凌虹,吴也凡,程亮,石纪军,余永志. 硅酸盐学报. 2012(04)
[7]中子衍射残余应力分析技术及其应用[J]. 孙光爱,陈波. 核技术. 2007(04)
[8]先进复合材料与航空航天[J]. 杜善义. 复合材料学报. 2007(01)
[9]超轻多孔金属材料的多功能特性及应用[J]. 卢天健,何德坪,陈常青,赵长颖,方岱宁,王晓林. 力学进展. 2006(04)
[10]基于SR-CT技术的残缺投影数据的研究[J]. 汪敏,胡小方. 光学技术. 2006(06)
博士论文
[1]基于三维结构演化表征的复合材料损伤机制研究[D]. 方健.中国科学技术大学 2017
本文编号：3602716
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２均匀化方法应用于三维排布的短纤维复合材料［１４］??
?第一章绪论???动物的骨质是由胶原分子和羟基磷灰石矿物晶体组成的一种材料，它形成了??一种极其坚韧、重量轻、适应性强的多功能材料。骨骼在进化过程中为生物体提??供了结构上的支持，因此其力学特性具有重要的意义［３５］，如图１．３所示是骨骼??的结构与增韧机制。鹿角是自然界軔性最好的材料之一，鹿角在角骨类材料中的??失效应变是最高的。它的极限拉仲应变约为１２％，比人类骨骼高出５倍。在损伤??演化过程中，鹿角最大程度上发挥了其对外在断裂的抵抗。其断裂初性是人体骨??骼的１０倍左右。图１．４所示是鹿角与骨质材料的韧性对比［３６］。类似于人类的骨??骼，鹿角的这种增韧的外在成分与横向（断裂）方向上的大范围裂纹挠曲和扭曲??以及纵向（裂口）方向上的未开裂桥联有关。这两个过程均是由骨质的高矿化界??面上广泛的微裂纹驱动的。与人类骨骼相比，鹿角的韧性更好但是强度不那么强，??这突出了生物材料中强度和軔性的重要区别。为了揭示角骨获得其抗断裂能力的??基本原因，需要结合内在塑性机制和外在裂纹挠曲／扭转和裂纹桥接机制，而这??两种机制分别来自亚微米级和微米以上尺寸，需要进一步的细观实验研宄。??１００｜?＇?１???？???！?３??３?ｆｃ）?Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ
测技术（ｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ?ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ＮＤＴ），以检测材料变形过程中发生的力学??损伤［５５，?５６］。对先进复合材料来说，主要有基于声波的技术和基于成像的技术，??如果材料可以导电还可以使用涡流或基于电阻率的技术［５７，５８］。基于声波的技术??有声发射（ａｃｏｕｓｔｉｃ?ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ＡＥ［５９］）、超声波（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ?ｗａｖｅｓ［６０］）、非线性??声学（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ?ａｃｏｕｓｔｉｃｓ［６１］）；基于成像的技术有数字图像相关（ｄｉｇｉｔａｌ?ｉｍａｇｅ??ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，ＤＩＣ［６２］），Ｘ?射线照相（Ｘ－ｒａｙ?ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ［６３］），断层扫描技术??（ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ?ａｎｄ?ｍｉｃｒｏ－ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ［６４］），红夕卜热成像（ｉｎｆｒａｒｅｄ??ｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｙ［６５］），散斑干涉法（ｓｈｅａｒｏｇｒａｐｈｙ?［６６］），太赫兹（ｔｅｒａｈｅｒｔｚ［６７］）。??图１．５所示是超声检测和太赫兹检测对复合材料的应用。中子衍射方法［６８－７１］可??以测量晶体材料内部三维应变和应力等信息，如残余应变Ｒ２，７３］、内部应力演化??［７４－７６】、强度与损伤演化［７７，７８］，是一种重要的无损检测手段。这些方法大多只??能对微观结构演变信息提供低分辨率图像或仅能够反映材料的表面形貌和成分??信息，或只能适用于金属等晶体材料。对于含复杂微结构的纤维增强材料或多孔??结构材料来说，低分辨的、表面检测的实验方法是不足以准确表征其结构变形演??化特征的。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于先进光源的内部力学行为实验研究进展[J]. 许峰,胡小方. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(09)
[2]X射线断层扫描在材料力学行为研究中的应用[J]. 王龙,冯国林,李志强,吴建国,张伟. 强度与环境. 2017(06)
[3]数字体图像相关方法研究进展[J]. 潘兵,王博. 科学通报. 2017(16)
[4]同步辐射光束线束斑形状实时分析技术[J]. 张春波,汪启胜,黄胜,何建华. 核技术. 2015(05)
[5]同步辐射硬X射线成像用于小动物脑血管结构与功能的研究[J]. 和友,肖体乔,Michel MOENNER. 生命科学. 2013(08)
[6]阳极Ni–YSZ添加CeO2对固体氧化物燃料电池性能的影响[J]. 王乐莹,罗凌虹,吴也凡,程亮,石纪军,余永志. 硅酸盐学报. 2012(04)
[7]中子衍射残余应力分析技术及其应用[J]. 孙光爱,陈波. 核技术. 2007(04)
[8]先进复合材料与航空航天[J]. 杜善义. 复合材料学报. 2007(01)
[9]超轻多孔金属材料的多功能特性及应用[J]. 卢天健,何德坪,陈常青,赵长颖,方岱宁,王晓林. 力学进展. 2006(04)
[10]基于SR-CT技术的残缺投影数据的研究[J]. 汪敏,胡小方. 光学技术. 2006(06)
博士论文
[1]基于三维结构演化表征的复合材料损伤机制研究[D]. 方健.中国科学技术大学 2017
本文编号：3602716
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