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关键词： Al/Ni活性材料   爆炸加载   力学性能   失效行为   动态本构  

摘要： 传统武器装备受限于单一动能毁伤效能,无法满足现代化战役的复合需求。为提高战斗部威力,活性材料应运而生,其不仅有传统的动能毁伤能力,还能产生爆炸、燃烧等化学毁伤效果,极大增强综合毁伤能力。活性材料应用于战斗部破片或药型罩时会受到强爆轰驱动作用,因此其力学性能和释能特性会受到一定程度的影响。爆炸加载使得活性材料状态发生转变,而若以材料初始状态的性能去指导战斗部设计与毁伤效能评估,将造成设计毁伤效能与实际毁伤效能不匹配。本文以典型Al/Ni活性材料为研究对象,考虑颗粒尺寸与爆炸加载强度,对爆炸加载材料与未受爆炸加载材料进行动静态压缩试验与准密闭容器冲击反应试验,研究Al/Ni材料爆炸加载后的动静态力学性能以及失效行为,对建立活性材料完整的作用过程,完善冲击起爆模型以及设计战斗部具有重要的指导意义。本文对爆轰加载后的活性材料展开了准密闭容器冲击反应试验,爆炸加载降低了材料的释能效率,爆炸加载强度越大,降低比率越大:与未受爆轰加载的材料相比,在14.76GPa、21.79GPa与28.84GPa加载时,反应度分别降低26.6%、78.8%与80.5%。进行了动静态力学测试试验,考虑颗粒尺寸因素,研究活性材料的力学性能与失效行为,试验表明颗粒尺寸越小,爆炸加载强度越大的活性材料具有更优秀的力学强度。由于铝镍颗粒弹性模量与熔点不相容性,受载后镍颗粒在铝基体中移动并聚集,在颗粒边界出现孔隙,并逐渐扩展为裂纹。建立了Al/Ni材料弹粘塑性动态本构模型,较好的描述了材料的力学性能,爆炸加载对材料弹性阶段影响微弱,主要影响粘塑性阶段,这表明不能以原有的材料参数去判断活性材料的工作情况,加载的爆炸条件是需要附加考虑的外部因素。

关键词： 石墨烯   氮硼掺杂   h-BNC   分子动力学   拉伸/剪切性能   断裂   薄膜褶皱  

摘要： 石墨烯是一种由碳原子组成的蜂窝状二维材料,具有优异的热力学性能、机械性能、电学性能。自2004年问世以来,众多学者、研究人员对其展开了广泛的研究。有关石墨烯材料的研究已取得了令人振奋的成果且仍在不断地蓬勃发展。未来石墨烯在纳米电子器件、复合材料、传感器件、半导体材料等高科技领域将具有十分广泛的应用。近些年来,为进一步提升及调整石墨烯性能,人们将六方氮化硼（h-BN）掺杂到石墨烯中,合成了一种新型的二维复合材料,即本文的主角h-BNC材料。材料合成过程中石墨烯的碳原子被氮原子和硼原子所取代在石墨烯中形成B-N键及全新的C-B和C-N键,从而获得一种力学性能不同于石墨烯的新型二维复合材料。目前这种新型二维复合材料的制备工艺已经相当成熟,石墨烯中氮原子、硼原子的掺杂比率以及掺杂形状都可以自由调控。本课题运用分子动力学模拟的方法,研究在石墨烯中掺杂氮原子及硼原子的浓度（α）以及掺杂尺寸（L）对新型二维复合材料本构关系,力学性能及断裂行为的影响。本课题研究工作总结如下:（1）通过分别控制B、N原子的掺杂率（:0%-40%）以及掺杂区域尺寸（L:0.246nm-1.23nm）,探究复合材料的拉伸性能并通过理论分析建立了二维非线性本构关系。研究结果表明,随着B、N原子掺杂率（）的增加等效弹性模量（Ye）线性下降。与此同时,由于Ye与含量密切相关及C-B键对材料断裂应变的影响,断裂应变随着的增长而降低。此外本文还对二维复合材料的断裂机理进行了有益探讨,并对自由边界条件效应进行了深入的研究。结果显示自由边界条件能显著降低二维纳米材料的弹性模量（Ye）和断裂应力,但显著提高其断裂韧性。（2）通过分别控制B、N原子的浓度（:0%-40%）以及掺杂尺寸（L:0.246nm-1.23nm）,探究材料的剪切性能及薄膜褶皱的特性。首先比较了AIREBO与Tersoff两种势函数对石墨烯的适用性,采用Tersoff势函数模拟的结果显示增加B、N原子的掺杂率α与掺杂尺寸L可显著降低材料的剪切断裂应力,提升掺杂率α还可降低材料的剪切模量。此外研究发现断裂起源于C-B键,表明h-BNC材料中的C-B为最薄弱的结合键,因此C-B键数量的增加导致剪切断裂应力降低。最后模拟显示增加B、N原子的掺杂率可以使得h-BNC材料的褶皱高度A与A/λ的值降低,同时发现温度的升高可以削弱h-BNC材料的变形能力。

关键词： 正交层积木   近红外光谱   数值仿真   深度置信网络  

摘要： 正交层积木,即Cross-laminated timber(CLT),是由实木锯材或结构复合板材正交(90度)交错组坯,采用结构胶黏剂压制而成的实木板材。通过将横纹和竖纹交错排布的规格木材进行排列组合,来改进木材各向异性的缺点,使得材料趋于各向同性,具有良好的双向力学性能和尺寸稳定性,是重要的新型建筑材料。同种木材间力学性能也会有差异,然而传统设计无法充分考虑这种差异,传统的木材检测不仅耗费木材,也耗费人力、时间。本文使用近红外光谱技术结合深度学习算法实现木材力学强度无损预测,建立复合CLT图谱多维数据下的力学性能可视化数值分析系统,为竹木复合CLT排列组合提供方案。项目采用竹材和铁杉为锯材原料,利用视觉分析技术对板材表面各点进行标定;使用900-1700nm近红外光谱分析仪进行多面多点的数据采样;对铁杉和展平竹进行四点弯曲试验,采集断裂模量(MOR)与弹性模量(MOE);光谱数据与对应力学性能数据组成预测模型的数据集。通过S-G滤波对近红外光谱数据进行平滑处理,将深度置信网络(DBN)与局部支持向量回归(LSVR)结合在一起,对数据集进行训练,构建DBN-LSVR预测模型,预测板材的力学强度。在ABAQUS中建立基于实体单元的竹木复合CLT数值仿真模型,改变CLT板中每块锯材单元的参数,建立不同排列组合的复合CLT仿真模型,并对模型进行平面外弯曲力学性能分析,来研究竹木复合CLT板的整体力学性能。综上,利用近红外光谱技术与深度置信网络相结合,对锯材单元材料的力学强度进行无损预测,通过数值分析和实际测量结合的方法预测竹木复合CLT板的力学性能。该方法不仅节省了锯材原料、人力和时间,还设计了竹木复合CLT排列组合方式,提升了竹木复合CLT整体力学性能。

关键词： 不饱和聚酯树脂   纳米填料   模流分析   储能模量  

摘要： 不饱和聚酯树脂(UPR)作为一种具有良好耐化学性、耐溶剂性、机械性能、介电性能等优良性能的热固性高分子材料，常常作为基体材料应用于航空航天、交通运输、建筑、涂料等方面，并且由于其可加工性、设计性和成型方法使其在工业应用中占据重要的地位。但是UPR固化后的力学性能较差，因此在本文研究中，在树脂基体中添加多壁碳纳米管(MWCNT)、柠檬酸化纤维素(CNFCA)和MXene，改善填料在树脂中的分散性，以提高复合材料的力学性能。并且根据工艺参数和气穴问题对UPR的充填流动进行优化分析，拓宽了UPR在注射成型领域的应用。具体研究内容和结果如下:　　(1)使用溶剂（二氯甲烷、丙酮、苯乙烯）辅助超声的方法在UPR中分散MWCNT，制备UPR/MWCNT复合材料。与无溶剂法对比，MWCNT在溶剂法制备的复合材料中分散性更好。并且在流变曲线中，溶剂法的组分出现剪切变稀的趋势，形成良好的CNT网络结构。通过热分析实验发现，使用二氯甲烷和丙酮作为溶剂会阻碍树脂的固化反应。但是使用苯乙烯作为溶剂则可以避免溶剂对固化性能的影响。在纳米压痕实验和拉伸性能实验结果中，使用苯乙烯作为溶剂使其压入硬度和拉伸强度分别提高了13.9％和21.1％，使用二氯甲烷和丙酮作为溶剂则使压入模量降低了5.9％和6.6％，拉伸强度降低了35.5％和56.9％。　　(2)通过溶剂蒸发技术使用柠檬酸化纤维素(CNFCA)对MWCNT进行物理改性，得到复合填料MWCNT/CNFCA，采用苯乙烯溶剂辅助超声的方法制备了不同配比的UPR/MWCNT/CNFCA复合填料（MWCNT∶CNFCA为4∶1、3∶1和2∶1）。与在UPR/MWCNT中直接加入CNFCA的方法相比，前者通过物理改性的方式改善了MWCNT在UPR中的分散性，在流变实验中表现为更高的储能模量和粘度，纳米压痕实验结果显示有更高的压入模量和压入硬度，拉伸实验结果显示具有更高的拉伸强度和拉伸模量，其中MWCNT与CNFCA配比为3∶1的情况下表现最好，压入硬度和拉伸强度分别提高了43.7％和60.0％;后者在光学显微镜和SEM形貌观察中发现，直接加入CNFCA的方法会降低MWCNT的分散性。　　(3)使用氢氟酸(HF)溶液刻蚀MAX制备二维材料MXene，在SEM形貌中观察MXene为手风琴状颗粒。同样通过苯乙烯溶剂辅助超声的方法制备了UPR/MXene复合材料，与UPR/MAX复合材料相比，表现为更均匀的分散状态，微观形貌图中可以明显观察到单层的片状MXene。当MXene的含量为1.5wt％，UPR/MXene的粘度和储能模量最高，压入硬度提高了33.1％，拉伸强度提高了45.2％。　　(4)通过等温DSC实验，拟合得到UPR固化反应模型，代入CAE软件Moldflow中模拟特殊包覆件制品的充填流动分析。通过改变温度和注射速率发现，随着温度的升高，固化度升高，粘度升高;随着注射速率的升高，靠近注射浇口区域温度略有升高，注射完成时间降低，固化度降低，粘度降低。但是，气穴问题影响UPR包覆件的成型质量，因此需要对气穴进行工艺优化。通过正交实验设计发现，注射速率对气穴的影响程度最为显著，因此优化注射方式为多段注射，明显降低了气穴数量。

关键词： 裂隙张开度   应力循环等级   滞回环   强度规律   动弹性模量   绝对损伤参数  

摘要： 为了探究张开度、裂隙倾角及不同应力等级循环加卸载复合影响下的裂隙岩体的强度规律、损伤特性和能量演化机理,用水泥砂浆制备含不同张开度和不同倾角的单裂隙类岩石材料,基于RMT–150B岩石力学试验机对单裂隙类岩石材料开展三种不同应力等级的循环加卸载试验,研究了裂隙类岩石材料的应力-应变曲线特征、滞回环面积变化规律、动弹性模量变化规律及类岩石材料损伤特性。试验结果表明:(1)在同一加载条件下,类岩石材料的峰值强度和起裂强度随着裂隙张开度的增大呈递减趋势,而峰值强度和起裂强度随着裂隙倾角的增大先减小后增大,且在45°时达到最小,即裂隙体的敏感角度为45°。(2)随着循环应力等级的增大,滞回环由刚开始的“密集型”转为“稀疏型”,且类岩石材料峰值强度呈减小趋势,出现强度弱化现象,而裂隙张开度和裂隙倾角对类岩石材料的轴向应力-应变曲线的整体变化形态几乎没有影响,类岩石材料单轴加载和循环加卸载达到峰值强度后,应力快速减小,类岩石材料在短时间内丧失了承载力,符合脆性岩石破坏的特征。(3)在相同循环应力等级和循环次数条件下,随着张开度的增大,类岩石材料的动弹性模量呈递减趋势,而随着裂隙倾角的增大,类岩石材料的动弹性模量先减小后增大,在45°时达到最小。(4)在同一应力循环加载中,不同张开度和不同倾角下的滞回环面积随着循环次数的增加均先急剧减小而后趋于平缓,但不同张开度和不同倾角下的滞回环面积随循环次数的增加降低幅度出现了明显的差异,裂隙张开度越大,滞回环面积降幅越大,而随着裂隙倾角的增大,滞回环面积在45°时降幅最大,完整试件降幅最小。(5)不同张开度下类岩石材料的绝对损伤变量随着循环应力等级的增大,呈先近似线性减小后缓慢增长再急剧增长的变化趋势;而不同裂隙倾角下类岩石材料的绝对损伤变量随着循环应力等级的增大,在低应力循环加载中,呈近似线性减小,在中应力及高应力循环加载中,呈增长趋势,而在高应力循环加载中增长幅度较大。(6)类岩石材料的破坏模式随着裂隙倾角的逐渐增大由张拉破坏为主转变为剪切破坏占主导,而随着裂隙张开度的增大,张拉裂纹萌生的几率大大增加。且在不同的循环应力等级中,类岩石材料的裂纹演化各不相同。

关键词： 聚脲   γ射线辐照   微观结构   压缩力学性能  

摘要： 本文以探究γ射线辐照对聚脲准静态和动态压缩力学性能的影响规律为目标,选取了改性MDI（A组分）和Versalink P1000（B组分）,制备了一种新型聚脲材料,设定了辐照剂量率分别为1KGy/h、2KGy/h、3KGy/h,累积剂量分别为20KGy、60KGy、100KGy、150KGy、220KGy、300KGy的γ射线辐照工况,利用红外光谱测定仪对合成的聚脲进行了性能表征,并通过万能试验机对辐照前后的压缩试件进行了从准静态到动态下的压缩力学性能测试(0.01s-1-4200s-1),通过扫描电镜对聚脲微观结构形态进行了观察,研究了聚脲在不同应变率、不同辐照工况下的变形行为以及辐照对新型聚脲的力学性能影响规律。通过傅里叶红外光谱仪研究聚脲辐照前后微观结构,分析表明:本研究合成聚脲在2262cm-1附近无明显的异氰酸酯吸收峰,在3352.59cm-1、1713.43cm-1、1541.04cm-1、1097.76cm-1具有聚脲中的仲胺基N-H键、脲键中的C=O键、C—N键和C—O—C键的伸缩振动吸收峰,表明已合成聚脲。经过伽马射线辐照后并未出现新的吸收峰或者出现某些峰的消失,与未辐照的曲线对比没有出现峰的偏移,在设定的γ射线辐照剂量率以及累积剂量下聚脲样品分子结构变化不大,未出现较大损坏。通过扫描电镜图像研究对聚脲微观形貌进行了观测,结果表明:辐照前后聚脲中软、硬段由于热力学不相容而均产生显著的微相分离结构。硬段分散在连续的软相基体相中。辐照后随着辐照时间增大出现越来越多的细小白色碎屑,是软段脆化所致。规律与辐照试验结果外观变化一致。在同一个辐照剂量率下,随着累积剂量的增加,压缩试件颜色由淡黄色变为暗红色,而达到同样辐照累积剂量时,随着剂量率的增大,压缩试件颜色逐渐由深变浅,从液氮冷脆断面观察到,越靠近试件中心部位颜色变化越小,越靠近试件外侧面颜色变化越大。通过准静态压缩、动态压缩实验得到未辐照聚脲在不同应变率下的应力应变曲线,结果显示:聚脲弹性体的真应力-真应变曲线具有显著的应变率敏感性,应变为0.1时的应力,由0.01s-1时的4.626MPa增加到4200s-1时的15.209MPa,压缩强度随着应变率的增加而增加,具有显著的应变率敏感性。通过准静态压缩和动态压缩实验得到以三种剂量率达到辐照累积剂量为220KGy时的聚脲在不同应变率下的应力应变曲线。结果表明:在不同应变率下2KGy/h、3KGy/h的剂量率达到220KGy时,弹性模量与高弹性阶段、致密化阶段的应力均比未辐照时的聚脲强,且2KGy/h时最好;1KGy/h时最差且低于未辐照的聚脲。选择压缩应力最好的2KGy/h辐照剂量率分析累积剂量对聚脲压缩力学性能的影响,研究表明:低应变率下在累积剂量达到300KGy时弹性模量与高弹性阶段、致密化阶段的应力最好,0.01s-1时弹性模量比未辐照的提高了11%;在高应变率下,0.1应变对应的应力在辐照后均比未辐照工况下应力大,且在150KGy时达到最大,4200 s-1时由未辐照的15.209MPa提高到了24.733MPa,提高了38%。γ射线辐照能够提高新型聚脲的压缩力学性能,在本文研究工况下,2KGy/h剂量率达到150KGy累积剂量时能最大程度提高聚脲的压缩力学强度。

关键词： Cf/Al复合材料   稀土元素   显微组织   力学性能   耐腐蚀性能  

摘要： 碳纤维增强铝基复合材料相比铝合金具有更好的力学性能、导电性以及热膨胀系数低等优点。但碳纤维增强铝基复合材料较铝合金相比具有更多的界面,腐蚀会优先在界面结合处发生,从而导致复合材料出现腐蚀失效,因此复合材料的腐蚀机理及防护措施需要进一步开展。本文中是以5056Al铝合金作为基体、M40J碳纤维布作为增强体,通过液相压力浸渗法制备Cf/Al复合材料。通过在基体中添加不同含量的稀土元素(Ce/Y)来探究对Cf/Al复合材料力学性能和腐蚀行为的影响。利用扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、分析天平、盐雾试验箱及电化学工作站等仪器设备对Cf/Al的显微组织、力学性能及腐蚀性能进行测试及分析。研究结果表明,制备的Cf/Al复合材料浸渗良好,致密度高于99%。随着稀土元素的加入,复合材料的硬度和抗弯强度呈现先上升后下降的趋势,在添加0.2wt.%Ce的复合材料抗弯强度为516MPa,添加0.2wt.%Y的复合材料抗弯强度为495MPa,二者的力学性能最好,较Cf/5056Al的376MPa增加了37.22%和31.64%。对5056Al和Cf/5056Al的电化学腐蚀行为分析,研究发现5056Al及Cf/5056Al复合材料的腐蚀电流密度在3.5%Na Cl溶液中随浸泡时间的延长呈现出周期性变化的特点。通过交流阻抗谱图表明5056Al和Cf/5056Al腐蚀行为并不一致,5056Al的阻抗谱图为容抗弧模式而Cf/5056Al复合材料的阻抗谱图为容抗扩散模式。Cf/5056Al的总阻抗要比5056Al低很多,复合材料的耐腐蚀性能大幅度下降。探究了稀土元素对Cf/5056Al复合材料的腐蚀行为的影响,通过盐雾腐蚀失重试验发现基体中添加了0.1wt.%Ce和0.2wt.%Y的复合材料耐腐蚀性最好,Cf/5056Al复合材料耐蚀性最差。通过电化学试验也发现,随着基体中稀土元素含量的提高,复合材料的耐腐蚀性出现先升高后降低的趋势。Cf/5056Al+0.1Ce和Cf/5056Al+0.2Y的腐蚀电流密度分别为6.73μA·cm和1.72μA·cm相比Cf/5056Al的腐蚀电流密度19.09μA·cm有显著下降。稀土元素的加入对Cf/5056Al复合材料的影响机理为:一方面稀土元素加入后会向界面处偏聚,适量的稀土元素分布在界面处会抑制界面反应的发生,阻碍AlC的生成;另一方面稀土元素的加入也会改变Cf/5056Al界面处与碳纤维接触处的基体的电极电位,随着适量的稀土元素的加入会提高界面处基体的电极电位,从而减缓了电偶腐蚀的速率。

关键词： 教学方法   材料力学   弯曲强度   课程思政   问题导向  

摘要： 为了解决抬头率低的课堂难题,采用问题导向混合教学法,教学时以梁的弯曲强度措施应用为设计对象,通过课堂教学进行验证。教学设计分为新课导入、新课学习和课程思政三部分,通过精选广为人知的典型工程案例将三部分内容有机结合起来;通过采用案例法、实物展示等多样化的混合教学手段,增强课程吸引力、趣味性和易记性。通过层层设问和启发引导学生积极思考、追本溯源;通过将设计者的心理变化与梁力学模型演化相结合,增强课程的生动性;通过关键词"安全"将课程思政有机融入授课内容中,提出安全的课程初心、保障安全的课程使命。教学实践结果表明,该教学设计法对提高课堂抬头率具有显著效果。

关键词： 三维机织   玄武岩纤维复合材料   代表性体积单元   混杂   顶盖横梁  

摘要： 近些年随着汽车轻量化技术的不断发展,汽车用复合材料受到行业的广泛关注。纤维增强复合材料产品优异的综合力学性能已得到汽车企业的认可,但在汽车车身上的广泛应用仍受到诸多因素的限制,如碳纤维复合材料成本过高、复合材料生产效率低以及回收处理困难等。所以纤维复合材料产品在汽车领域中的应用仍需不断地探索。在全球碳纤维资源供求紧张的背景下,我国将玄武岩纤维复合材料作为一个新的探索方向。玄武岩纤维复合材料无论在力学性能、还是耐腐蚀、隔音、保温、降噪、成本等方面都具有突出特点,并在很大程度上可以替代玻纤、碳纤维和石棉制品。三维机织复合材料已广泛应用于制造对抗分层性要求较高的工程结构中。作为三维机织物一种典型的结构形式,三维角联锁结构复合材料在经向、纬向和厚度方向上均具有较高的刚度和强度,缝经纱的存在使得角联锁结构复合材料的抗分层性和损伤容限都得到较大提升。本文将三维角联锁机织复合材料作为研究对象,采用层内混杂碳纤维和结构参数优化两种方法增强复合材料力学性能,最后将三维角联锁机织复合材料应用于汽车顶盖横梁,进行基础性研究。具体研究结果如下:（1）制备三维角联锁玄武岩纤维复合材料和玄碳混杂纤维复合材料样件,进行相关力学性能试验,包括拉伸、面内剪切、层间剪切和三点弯曲试验,获得基本力学性能参数。（2）采用纤维混杂和结构参数优化的方法对玄武岩纤维复合材料力学性能进行增强研究。纤维混杂的方式为将纬向玄武岩纤维纱线改为碳纤维纱线。建立玄武岩纤维复合材料的代表性体积单元模型,预测其弹性性能参数与试验结果对比,证明建立的代表性体积单元模型具备有效性,通过正交试验进行结构参数优化,最终其优化的结构参数组合为纱线宽度0.7mm,纱线间距0.2mm,纱线厚度0.1mm,椭圆形纱线截面偏心度0.6。（3）建立基于三维Hashin准则,采用断裂韧性的刚度指数退化方案的三维渐进损伤本构模型,使用Fortran语言编写成VUMAT子程序,并对子程序进行调试和验证。基于均质化理论建立弯曲和低速冲击有限元仿真模型,与试验对比验证模型准确性,分析复合材料在弯曲载荷下的多种损伤模式以及冲击载荷下的分层损伤。研究发现在玄武岩纤维复合材料中混杂碳纤维可以充分发挥玄武岩纤维出色的延展性以及碳纤维高模量强度的优势,提升弯曲和低速冲击工况下的最大峰值力。（4）综合层内纤维混杂及结构参数优化两种力学性能增强方法,将三维角联锁玄碳混杂纤维复合材料应用于汽车顶盖横梁。对采用复合材料顶盖横梁与钢制顶盖横梁的白车身进行弯曲、扭转和模态工况下对比。研究结果表明,三维角联锁玄碳混杂复合材料制成的顶盖横梁可以达到钢制顶盖横梁的模态频率、弯曲刚度、扭转刚度等性能指标,并且质量减轻40%,初步探究三维角联锁机织复合材料应用于汽车顶盖横梁的效果。

关键词： 3D打印   熔融沉积建模   纤维增强聚合物   复合材料   各向异性   断裂韧性   层间界面性能  

摘要： 随着纤维增强聚合物基复合材料在航空航天和汽车轻量化领域的广泛应用,绿色制造、个性化定制和复杂构件加工等需求愈发迫切,利用熔融沉积(FDM)3D打印技术制造纤维增强复合材料可以满足以上需求,弥补传统制造工艺的不足。然而,这种无压力、逐层打印的工艺特性往往会导致打印件力学性能的降低,这也是3D打印复合材料的关键问题所在。近年来,针对3D打印纤维增强复合材料力学特性的研究正在逐步开展,但是打印件的基本力学特性和界面失效问题尚未被完全解释清楚,且研究内容单一。因此,本文系统地对利用FDM工艺打印的短纤维、连续纤维复合材料进行了探索,从工艺和设备原理、打印丝材力学特性、打印件各向异性、纤维含量可控性、层间断裂韧性、混合I、II型层间断裂特性等方面开展了一系列的实验研究,主要内容如下:(1)通过实验研究了两种打印基体材料(尼龙、Onyx)和四种连续纤维增强材料(碳纤维、玻璃纤维、高温高强玻纤、凯夫拉纤维)的力学性能,并利用扫描电镜(SEM)表征失效后的丝材断口,分析了原材料中的缺陷和纤维与基体的浸渍效果。研究结果表明:相较于纯尼龙基体,短纤维增强尼龙(Onyx)基体的刚度更大,但是强度更低;而几种连续纤维增强材料中,碳纤维刚度和强度最大,凯夫拉纤维的韧性最好。Onyx丝材的断裂面显示有大量的短纤维被拔出,这导致了Onyx材料在拉伸位移很小时就出现了失效。(2)通过实验研究了打印件的各向异性和不同连续纤维含量对力学性能和失效模式的影响,此外还通过显微镜表征了试件内部的打印质量。研究结果表明:连续纤维的铺设方向严重影响零件整体的力学性能。拉伸方向与纤维方向一致时试件强度可达到600 MPa,而相互垂直时强度只有不足30 MPa。对于纤维方向试件的性能,强度和模量随着纤维含量的升高而升高;但是垂直于纤维方向打印试件的性能与纤维含量无关,所有类型试件都和纯基体的强度差不多,这说明横向纤维对力学强度并没有提高作用。内部打印质量与材料种类有关,连续碳纤维层质量较好,但是有很多气泡;Onyx层丝间会有空隙;这导致了不同材料的界面特征也不同。从失效断口的SEM图像中可以发现,失效发生在缺陷较多的部位。(3)通过ENF和DCB实验研究了3D打印连续碳纤维层间的纯Ι型和纯ΙΙ型断裂韧性初始值,结果显示:连续纤维层间的Ι型初始断裂韧性较高,而且在实验过程中观察到了纤维桥接的现象,这使得断裂韧性的扩展值更高。结合第三章中对打印件内部打印质量的表征可以看出,纤维层之间没有明显的界面界限,也没有打印丝之间的空隙,这说明相邻界面发生了融合。ΙΙ型断裂韧性较低,这说明界面抗剪切能力差。(4)设计了混合Ⅰ、Ⅱ型层间断裂模式试样,并将界面材料类型、纤维方向作为实验变量,研究了不同种类界面在剪切-剥离耦合应力状态下的力学响应和失效特性,研究结果表明:不同材料种类的界面力学响应不同,失效模式复杂且会发生在其他非中间层。中间为0°碳纤维层的试件刚度最大,90°碳纤维层的试件刚度最小,因为90°碳纤维层不能承受荷载。接触面两端的剥离应力传递至贯穿厚度的其他层,导致裂纹可能率先出现在其他较为薄弱的层间界面。另外,裂纹在扩展过程中可能会发生转移和合并,从而失效从一层转移到另一层。