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关键词： 无机非金属材料   泡沫炭   炭化温度   煤矸石   力学性能  

摘要： 以酚醛树脂为基体前躯体,以煤矸石为添加剂,通过化学发泡、固化及炭化工艺制备煤矸石增强酚醛树脂基泡沫炭材料,采用SEM、XRD、电子万能试验机等手段对材料的形貌、物相和力学性能进行表征,研究了炭化温度对其力学性能的影响。结果表明,当炭化温度为1400℃时,泡沫炭的孔洞较为完整,呈圆形或椭圆形,当温度超过1400℃时,孔壁变得粗糙,边沿出现裂纹。当温度由1100℃升高至1250℃开始出现莫来石物相,并随着温度的进一步升高莫来石含量逐渐增多。随着温度从1100℃升高到1550℃,该泡沫炭材料的压缩强度表现出升高趋势。

关键词： 铝碳耐火材料   碳纳米管   结构表征   原位形成   力学性能  

摘要： 碳复合耐火材料具有优异的热震稳定性和抗渣侵蚀性能而被广泛用作转炉、电炉、钢包等炼钢和连铸系统的炉衬材料，而着眼于当前世界各国“低碳经济”的外部环境，以及进一步满足冶炼洁净钢的要求，传统碳复合耐火材料必然向低碳、超低碳方向发展。但单纯降低传统碳复合耐火材料中的鳞片石墨含量，会导致材料的韧性降低、热震稳定性能变差。碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)作为一种新型纳米碳源具有非常优异的力学性能，将其部分或全部取代鳞片石墨引入到低碳碳复合耐火材料中，有望解决材料韧性低、热震稳定性差的问题。从目前来看，限制碳纳米管在碳复合耐火材料中应用的主要原因是其成本高、在材料中易发生团聚导致分散困难以及高温复杂环境下易发生结构蚀变等。\n 针对上述存在的问题，本论文首先探讨了多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs)在高温复杂环境下的结构演变规律，系统研究了MWCNTs表面修饰聚碳硅烷(Polycarbosilane，PCS)以及原位裂解形成SiCxOy陶瓷涂层的工艺条件，以解决MWCNTs在碳复合耐火材料中的结构蚀变问题。另一方面，系统研究了催化剂Fe、Co、Ni的硝酸盐掺杂酚醛树脂的裂解碳结构及原位催化形成碳纳米管的生成机理，旨在为解决碳纳米管的使用成本和分散问题提供另一条途径。在上述研究工作的基础上，研究了碳纳米管复合铝碳耐火材料的显微结构与力学性能之间的关系。本论文可以得到如下结论:\n (1)高温复杂环境下，MWCNTs的结构演变主要与不同硅源作用下体系中Si(g)和SiO(g)的分压密切相关。以Si为硅源时，体系中的Si(g)分压最高，其不断在MWCNTs表面反应和沉积，使得较低温度下MWCNTs表面生成了SiC反应层，而较高温度下MWCNTs演变成SiC纳米线;以Si+SiO2作为硅源时，体系中的SiO(g)分压最高，其与CO(g)反应并不断沉积，使得MWCNTs表面形成了无定形SiO2-SiC的反应层结构，且SiO2反应层的厚度随着处理温度的上升而不断增大;而以Al+SiO2作为硅源时，体系中Si(g)和SiO(g)的分压均最低，MWCNTs即使经高温(1500℃)处理后表面也只能生成很薄的反应层。MWCNTs的氧化温度和氧化活化能因其表面形成上述反应层而大幅度提高，主要由反应层的厚度决定的。\n (2)在MWCNTs表面功能修饰PCS，高温作用下原位裂解形成SiCxOy陶瓷涂层，为阻止MWCNTs的结构蚀变提供一条新的途径。MWCNTs的抗氧化性能也因其表面形成的陶瓷涂层而大幅度提高，主要由涂层的厚度决定，与处理过程中PCS的浓度和裂解温度密切相关。\n (3)在铝碳耐火材料中引入MWCNTs会对其显微结构和力学性能产生影响。MWCNTs的引入，提高了不同温度处理后材料的抗折强度、弹性模量和形变位移量等力学性能。当处理温度低于1000℃时，MWCNTs自身对材料进行增强增韧作用;高于1000℃时，MWCNTs和原位形成的陶瓷晶须对材料进行协同增强增韧作用。但随着MWCNTs含量的增加，其发生团聚降低了材料的力学性能。经PCS修饰后的MWCNTs在铝碳耐火材料中的分散性大幅度改善，同时材料热处理过程中PCS裂解在MWCNTs表面原位生成SiCxOy陶瓷涂层，阻止了MWCNTs的结构蚀变并提高了MWCNTs与基体之间的界面结合，进一步提高了材料的力学性能和抗氧化性。\n (4)采用过渡金属元素的硝酸盐对酚醛树脂进行掺杂处理，经高温裂解后原位催化形成CNTs，为解决CNTs在碳复合耐火材料中使用成本和分散问题提供一条新的途径。随着处理温度的升高，掺杂树脂裂解碳中形成的碳纳米管等纳米石墨碳结构含量增加，石墨化度不断增加。其中，硝酸镍在掺杂树脂裂解过程中更容易以金属单质形式存在，相对于硝酸铁和硝酸钴来说具有更好的催化性能。同时，上述催化剂还能够促进铝碳耐火材料基质内部AlN、Al4C3和SiC等陶瓷晶须的形成。\n (5)基于上述研究工作，将硝酸镍掺杂酚醛树脂引入到铝碳耐火材料中，在材料内部能够原位催化形成MWCNTs，同时在较高的温度（高于1000℃）下催化形成更多的陶瓷晶须。原位形成的MWCNTs以及其与陶瓷晶须协同增强增韧作用分别赋予Al2O3-C耐火材料在较低（低于1000℃）和较高温度（高于1000℃）下更加优异的力学性能。

关键词： 短碳纤维   树脂基复合材料   力学性能   同步辐射CT技术   微力加载  

摘要： 碳纤维树脂基复合材料以其优异的力学性能被广泛应用于各工业领域，研究碳纤维复合材料的破坏机理有重要的理论和实际意义。本文从宏观和微观两方面实验研究了短碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学行为。首先制备了复合材料样品，研究了短碳纤维的含量对复合材料力学性能的影响，并分别通过纤维表面氧化处理和加入碳纳米管协同增强等方式进一步改善了复合材料的力学性能。然后，为了将同步辐射CT技术(SR-CT)应用于复合材料内部微结构动态破坏过程的实验观察，本文成功构建了一套适用于同步辐射实验室线站的SR-CT材料微力加载实验系统。基于该实验系统，开展了短碳纤维复合材料样品静态和动态的SR-CT观察实验。由实验结果并结合短纤维复合材料应力传递理论，分析了微结构对复合材料力学性能的影响和作用。本文的主要研究内容和创新之处是:\n 一、制备了短碳纤维增强环氧树脂复合材料的样品，研究了短碳纤维的含量对复合材料拉伸力学性能的影响，并通过碳纤维表面处理和加入碳纳米管等方法进一步改善了复合材料的力学性能。目前关于碳纳米管和碳纤维协同增强树脂基复合材料的报道是比较少见的。\n 1)分别通过三辊法和超声分散法制备了短纤维和碳纳米管单独和协同增强复合材料的样品，研究了不同制备工艺对复合材料力学性能的影响。;\n 2)实验测定了不同组分复合材料的宏观力学性能。研究了短纤维含量对复合材料力学性能的影响，并利用细观力学理论模型对实验结果进行了分析。通过碳纤维的表面氧化处理和加入碳纳米管的方法进一步改善了复合材料的力学性能。\n 二、从实验硬件和软件两方面构建了一套复合材料动态破坏过程SR-CT实验观察系统。目前尚未见到与该实验系统有关的报道。\n 1)在实验硬件上，本文研究了同步辐射CT技术应用于观察复合材料动态破坏过程的技术难点。通过对技术难点的分析，提出了相应的解决方案。设计了微力加载实验装置的驱动、夹持、力测量和支撑系统。并对该实验装置进行了精度标定和测试。\n 2)在实验软件上，本文运用图像处理的方法实现了对纤维结构参数的提取。根据样品纤维结构的特点，可以将纤维信息的提取问题转化为求三维纤维结构最小外接圆柱的问题。将三维纤维投影至二维图像时，还可将求三维实体最小外接圆柱的问题转化为求二维图形最小外接圆的问题。基于以上分析，利用编程方法实现了对纤维结构参数的提取。\n 三、利用同轴相衬成像技术，首次得到了短碳纤维复合材料动态破坏过程的亚微米分辨率三维图像。这对进一步理论研究复合材料中的应力传递机制提供了实验支持。\n 1)研究了在x射线弱吸收物质中应用较广泛的相衬成像技术，通过对实验条件的分析，得到了相衬成像实验中样品与CCD之间的最佳成像距离。进行了复合材料微小样品静态SR-CT观察实验，为观察复合材料动态破坏过程的SR-CT观察实验奠定了技术基础。\n 2)进行了复合材料动态破坏过程的SR-CT观察实验，首次得到了亚微米分辨率下的短纤维树脂基复合材料动态破坏过程的三维形貌图像。实验结果表明，纤维的无效长度越短，则复合材料破坏时断裂纤维所占的比重越高，复合材料的拉伸强度越高，这与理论分析的结果一致。\n 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： 水泥基材料   裂纹损伤   荷载分析   材料力学  

摘要： 水泥基材料的性能一定程度上取决于其微结构，材料性能的劣化一定程度上是因为其微结构发生了损伤演化。本论文运用X射线CT对不同轴压荷载作用下的水泥基材料样品进行扫描，得到不同荷载损伤程度的三维数字图像，运用数字图像处理技术，包括图像插值，图像配准，图像相关进行处理，得到水泥基材料损伤演化的规律。\n 本研究主要内容包括：⑴开发了基于实验室光源X射线CT的原位加载装置，利用其对水泥净浆样品进行原位加载，通过对比加载前后CT图像的差别，实现了损伤的三维定量表征。运用图像处理技术根据已知的宏观变形对图像进行插值处理，从而将损伤和变形分离。对二维切片进行统计分析，发现灰度的平均值随着荷载的增大而减小，灰度的标准差随着荷载的增大而增大。基于子区上的灰度信息，定义了三维子区及在三维子区上的局部损伤程度，对样品在不同加载阶段的损伤程度及其空间分布进行了三维定量表征。利用该方法表征的损伤不但包含单幅X射线CT图像所能观测的宏观孔隙裂纹损伤，也包括其不足以分辨的微裂纹损伤。⑵利用X射线CT对较大的水泥砂浆样品进行非在线加载损伤扫描，通过对不同加载阶段的CT图像进行配准，最终实现了损伤的三维定量表征。二维切片分析发现，灰度的平均值随着荷载的增大而减小，表明损伤程度不断增加;灰度的标准差随着荷载的增大先减小后增大，表明样品有一段被压实的过程。定义了三维子区并确定了特征子区的大小。定义了子区上的局部损伤程度，对样品在不同加载阶段的损伤程度及其空间分布进行了三维定量表征，获得了砂浆样品在轴压荷载下的损伤演化规律。⑶利用数字体积相关方法对砂浆样品损伤前后的X射线CT图像进行分析，找到每个子区对应的位移。首先，编写了三维整体素相关运算程序，计算得到样品的整体素位移。其次，分别基于两种不同的梯度算法编写了亚体素搜索程序，初步获得了亚体素位移，但计算结果并不理想。最后，基于整体素位移进行了梯度计算，初步得到样品的三维位移梯度场。

关键词： 弹塑性损伤   本构理论   屈服面   结构计算   力学行为   固体材料  

摘要： 固体材料从开始受载到完全破坏之前，除了弹性变形以外，往往还会产生塑性变形及损伤。一旦材料变形超出弹性范围，变形通常会诱发材料的各向异性，加载路径和变形历史都会对材料的性能产生影响，并且变形往往也会超出小变形的范围。由于不同的变形阶段涉及到了不同的本构关系，而在复杂变形条件下，基于不变量的等效理论难以适用。因此，确定材料的应力-应变关系会变得十分困难。\n 尽管材料的变形十分复杂，但在不同变形阶段，控制材料变形的物理机制有限，而不同物理机制的变形具有可叠加性。因此，从材料实际变形机制的角度出发，建立包含多种变形机制的弹塑性损伤本构模型来描述材料在复杂变形下的力学行为是具有一定潜力的。\n 本文基于一种弹塑性损伤本构模型——构元组集模型，研究了材料在有限变形条件下的力学行为。基于对泛函势和Cauchy-Born准则，将具有相同取向的原子键作为一组，提出弹簧束构元来反映对势作用;并提出体积构元来反映嵌入势。结合这两种构元来描述材料的弹性变形以及损伤。考虑滑移作为金属材料的主要塑性变形机制，提出滑移构元来描述材料的塑性行为。基于变形可分解机制，组集这三种构元共同描述材料的弹塑性损伤力学行为，并建立相应的本构方程。\n 目前，构元组集模型已经完成了小变形条件下本构关系的建立和验证，并推广到了有限变形条件下，本文的研究工作在此基础之上:\n (1)在有限变形的条件下，研究屈服面在应力空间中的演化。利用滑移构元的力学性质，采用由等向硬化和随动硬化组成的硬化模量，描述屈服面的几何特征。针对两种具有不同加工硬化特性的材料在承受三种不同加载时后继屈服面在拉-拉应力空间中的演化，将数值模拟结果与实验结果进行对比，并解释了屈服面演化的物理规律。\n (2)分析材料在有限变形条件下的结构力学响应。将本构方程进行线性化的处理，并设计相应的迭代算法。利用有限元软件ABAQUS，实现模型在结构计算中的应用。针对铝合金材料(6061-T6)，计算两种不同结构的弹塑性损伤力学响应。模拟结果与实验结果对比表明，模型能较好地描述结构在有限变形条件下的弹塑性损伤力学行为。\n (3)研究各向异性材料的弹塑性损伤力学行为。针对各向异性挤压成型铝合金材料(6260-T6)，建立四种不同结构的拉伸平板模型进行模拟，并将数值模拟结果与实验结果对比。考虑到不同材料取向对结构力学行为的影响，利用构元在空间中的离散性以及构元上状态变量的变化，分析损伤和变形诱导各向异性的物理机制。\n (4)探索纤维增强复合材料的力学行为。针对纤维的非弹性行为（纤维在高温下的塑性变形、纤维与基体的拔脱），在弹簧束构元中引入塑性变形来描述纤维的力学行为。并推导复合材料的宏观刚度的计算式，描述纤维增强复合材料在应变空间中的屈服面演化。

关键词： 碳纤维   阳极氧化处理   层间剪切强度   湿热性能   树脂基复合材料  

摘要： 碳纤维具有密度小、拉伸强度及拉伸模量高、耐腐蚀、耐高温、热膨胀系数小等优点，因此广泛用作先进复合材料的增强体。经过高温碳化制备得到的碳纤维，由于高温处理时表面活性元素的逸出及碳元素的富集，碳纤维表面呈现较高的惰性。在制备复合材料时，惰性表面将不利于碳纤维与树脂基体间的浸润，并导致复合材料力学性能下降。因此，高温碳化后往往需要增加一道表面处理工序使碳纤维表面由惰性转为活性，而表面处理工艺也成为制备高性能复合材料的必要工艺之一。\n 碳纤维的表面处理工艺繁多，但是由于具有氧化过程缓和、处理效果显著、对碳纤维损伤小等优点，阳极氧化处理成为最为常用的处理工艺，并且已经实现了生产的在线配套。在阳极氧化处理过程中，通常是以碳纤维为阳极、石墨板为阴极在电解质溶液中对碳纤维表面进行电解氧化。电解质的种类较多，如碱性电解质、酸性电解质、铵盐电解质等，其中由于不含金属离子、对设备无腐蚀，阳极氧化处理时多选择铵盐电解质。本文首先使用三种不同铵盐溶液（碳酸氢铵、碳酸铵及磷酸铵）作为电解质对碳纤维进行氧化处理，通过对比处理前后碳纤维表面结构及其增强复合材料力学性能的差异，分析了以铵盐溶液为电解质时碳纤维表面的阳极氧化原理，测试结果显示使用磷酸铵作为电解质时，碳纤维表面氧化程度最高，处理后碳纤维拉伸强度下降幅度最大;在以铵盐溶液作为电解质的碳纤维表面阳极氧化过程中，电解质溶液解离产生的碱离子浓度越高，阳极氧化反应程度越剧烈。\n 电流密度作为阳极氧化处理过程中的一项重要工艺参数会对碳纤维表面氧化效果产生重要影响。本文通过调整电流密度，改变氧化程度，详细研究了碳纤维表面结构的变化，结果显示随着电流密度的增加，碳纤维表面轴向沟槽并未出现明显加深加宽，但其化学结构却有较大改变，如活性元素O、N含量大幅增加，碳纤维表面-OH、-COOH等活性官能团增加等;因此，本文进一步研究了碳纤维表面化学结构对其增强环氧树脂基复合材料界面力学性能的影响，测试结果表明:阳极氧化处理后碳纤维表面活性增加有利于复合材料层间剪切强度的提高，但当O/C、N/C元素比超过一定程度时又不利于复合材料内界面结合;在碳纤维表面化学基团中，酸性含氧官能团尤其是-COOH含量是决定复合材料层间剪切强度高低的关键性因素。\n 湿热环境中的湿热老化被认作是碳纤维增强树脂基复合材料的主要腐蚀失效形式之一。由于碳纤维不吸湿，影响碳纤维/树脂基复合材料湿热性能因素主要包括树脂基体及碳纤维/树脂基体间界面层两部分。碳纤维表面作为复合材料界面层重要组成部分，其化学结构会对复合材料湿热性能产生影响，本文研究结果表明阳极氧化处理后碳纤维表面-OH、-COOH等含氧官能团增多，复合材料界面层吸湿能力增强并导致复合材料平衡吸湿量提高，从而进一步引起湿热处理后复合材料层间剪切强度的大幅降低。

关键词： 纳晶金属材料   脆性断裂   位错发射   断裂韧性   氢脆   裂纹  

摘要： 为了系统地分析氢致纳晶金属材料脆性断裂的过程，本文首先大量查阅了国内外相关文献，发现当大量氢原子在裂纹尖端一定区域内富集时，这些富集的氢会反过来阻止晶内裂纹尖端位错的进一步发射并因而抑制裂纹钝化，促进构件脆性失效。其次，结合考虑纳米晶金属材料结构的特殊性及无位错区的本质属性，本文得出纳米晶金属材料晶内氢的富集点位于裂纹尖端的无位错区与塑性区的交界面上这一重要结论，并根据经典Von Mises屈服准则、Hall-Petch关系及位错与裂纹的交互作用理论推导出用于确定纳晶金属材料裂纹尖端无位错区形状的公式、裂纹尖端位错的分布函数f（r）和无位错区存在条件。再次，本文从微观断裂力学的角度构建了纳晶金属材料在临氢条件下的脆化理论模型，利用该模型可定量地描述临氢条件下纳晶金属材料的临界应力强度因子与晶粒直径之间的依变关系并进一步讨论了裂纹的几何形状对其脆化的影响。最后，本文基于氢对晶内位错和其他点缺陷间的应力屏蔽效应，从微观力学角度阐释氢促进塑性区内位错运动的根本原因。\n 本文的主要研究内容和结论如下:\n (1)基于经典Von Mises屈服准则和Hall-Petch关系，用连续介质力学的理论推导出用于确定晶内Ⅰ型裂纹尖端无位错区形状的公式。\n (2)根据线弹性断裂力学的相关理论，就存在于纳晶金属材料晶内Ⅰ型裂纹尖端的无位错区提出一个自洽理论模型。该自洽模型主要包括两方面的内容:其一，裂纹尖端的位错分布函数;其二，无位错区的存在条件。根据该模型可以确定给定载荷条件下裂纹的几何形状对裂尖无位错区形状和裂尖位错分布情况的影响。此外，在该模型的理论框架范围内，本文还进一步讨论了塑性变形对裂尖的应力松弛情况及微孔洞的萌生条件。\n (3)建立晶内裂纹、已发射位错、氢气团之间的动态交互作用模型，在纳米尺度用此模型来说明氢对金属材料力学性能的损伤原因和损伤程度。本文计算了临氢条件下纳晶镍中裂尖沿同一滑移面所能发射位错个数的最大值并据此进一步讨论了氢对纳米晶金属材料断裂性能的影响，结果表明:氢显著地降低了纳米晶金属材料的断裂韧性且这一脆化作用对晶粒尺度特别敏感。特别地，当晶粒直径由100nm减小到15nm时，材料的断裂韧性降低了30％之多。\n (4)氢原子在裂纹尖端的无位错区上富集并通过与该处反向塞积的位错发生交互作用而形成氢气团，这些氢气团能够有效的抑制位错从裂纹尖端的发射，从而促进纳晶金属材料的断裂模式发生由韧性到脆性的转变。\n (5)裂纹尖端初始曲率半径ρ0对纳晶金属材料的氢脆过程也有一定的影响。越尖的裂纹，其尖端的应力集中水平越高，越容易形成氢气团，因而对通过位错发射实现裂纹自身钝化的抑制作用越明显。\n (6)基于氢促进位错运动理论提出的氢致纳晶金属材料脆性失效的机理模型可以解释充氢试样在拉伸实验中呈现出来的硬化现象。造成这一看似悖谬的现象的可能原因是:\n ①阴极充氢过程中，局部较高的浓度梯度会对试样表面造成一定程度的损伤，这反过来会引起试样内部流动应力的上升。\n ②氢促进局部塑形变形仅仅发生在有限的几个滑移面上，并不是所有滑移面上的位错运动都会因氢的存在而增加，因而使得应变局限于很窄的滑移带内，这样一来，即使当整体的平均应变还很小时，局部地区的塑形应变就已经达其临界值，从而导致次裂纹的形核。\n ③氢促进位错运动会产生两种类型的局部剪切变形，而局部剪切变形会使得材料内部的流动应力上升。\n (7)氢对点缺陷应力场间的屏蔽作用会促进纳晶金属材料内部局部塑性变形的发生，导致这种情况的可能原因如下:\n ①氢促进位错发射。\n ②氢促进位错增殖。\n ③氢促进位错运动。

关键词： 应变硬化   多缝开裂   弯曲韧性   荷载-挠度曲线   纤维增强水泥基复合材料   力学性能  

摘要： PVA-ECC作为一种新型纤维增强水泥基复合材料，以微观力学理论和断裂力学理论为基础。在弯曲荷载作用下该材料表现出多缝开裂模式和应变硬化特性，表现出超高的韧性和良好的耐久性。\n 本课题利用国内PVA纤维造价低的优势，采用部分国产PVA纤维代替进口PVA纤维，达到这种复合材料国产化、本地化的目的。利用四点弯曲试验、立方体抗压试验，得到抗拉韧性优异的国产PVA纤维与进口PVA纤维的最优掺和比。本文结合国家自然科学基金资助项目(51108151)、国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目(2009CB623203)和河北省自然科学基金项目(E2012202097)开展了一系列的研究，主要内容总结如下:\n 1)坍落度试验表明，研究国产纤维和进口纤维掺入比例对复合材料流动性的影响。随着纤维总掺量的增加，扩展度越来越小，即流动性越来越小;在纤维总量不变的情况下，进口纤维掺入之后的流动性明显比国产纤维要好。\n 2)立方体试块的抗压试验得出:试块抗压强度随着总的纤维掺入量的增加而增大，抗压强度在27.8MPa～35.6MPa之间，此时的纤维掺入量分别为1.0％，2.0％。在PVA纤维的总的体积掺入量在2.0％时，随着国产纤维掺入比例的增加，抗压强度减小，抗压强度在31.8MPa～34.8MPa，此时的国产纤维掺入量为0.4％，1.0％。\n 3)四点弯曲试验得到PVA-ECC材料的荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线。研究国产纤维和进口纤维掺入比例对材料的开裂荷载、开裂挠度、极限挠度、极限荷载的影响。采用“变形硬化系数法”对材料的弯曲韧性进行评价，得到韧性优异的国产PVA纤维与进口PVA纤维的最优组分。试验结果表明:\n (1)极限强度和极限挠度随进口纤维掺量（即总的纤维掺入量）的增加呈现递增趋势。开裂强度和开裂挠度随纤维掺量的增强呈现一定的波动性;\n (2)纤维掺入总量为2.0％时，极限强度和极限挠度随国产纤维掺量的增加呈现递减关系。开裂强度和开裂挠度随国产纤维掺量的增强呈现一定的波动性;\n (3)通过观察试件多缝开裂模式破坏形态得出，第一条裂缝首先出现在三等分点处两个加载点中某一点周围，很快第二条裂缝会在另一个加载点附近出现。随着荷载的增大，在纯弯曲段内会随机的出现微细裂缝，裂缝的数量不断增加，体现了材料的应变硬化特性。试件的第一条微细裂缝会发展为主裂缝，最终导致试件破坏。\n 4)四点弯曲破坏后的试件做扫描电镜试验，得出PVA纤维的微观截面形状是圆形，以及PVA纤维在水泥基材料中分布状况，在弯曲荷载作用下纤维的拔出和拉断等破坏模式。\n 5)采用“变形硬化系数法DHI”评价材料的弯曲韧性。弯曲韧性因子计算分析得出:\n (1)只掺入了进口纤维时，随着纤维掺入比例的增加，弯曲韧性因子逐渐增大。全部掺入2.0％的进口纤维时，σ200时的变形硬化系数DHI为1.18，σ150时的变形硬化系数DHI为1.70。\n (2)当掺入了进口纤维和国产纤维，纤维的总掺入量为定值2.0％，随着国产纤维掺入比例的增加，弯曲韧性因子逐渐增大，说明复合材料的弯曲韧性增强。σ200时的变形硬化系数DHI为1.15，σ150时的变形硬化系数DHI为1.65，得出国产纤维和进口纤维的最佳掺和比是1∶3。

关键词： 磷酸铬铝   硼酸铝晶须   复合材料   介电性能   力学性能  

摘要： 透波材料是航天飞行器天线罩上的一种特殊功能材料，一个国家的透波材料研究水平直接影响着国内航天事业的发展，开展低成本高性能透波材料的研究对国家的航天事业有着重大的意义。本文对硼酸铝晶须增强磷酸铬铝复合透波材料制备及高低温介电性能与力学性能进行了一定的研究。\n 以磷酸、氢氧化铝、三氧化铬为原料制备了磷酸铬铝基体。通过红外(IR)、X射线衍射(XRD)、热重(TG-DSC)测试分析了基体的固化原理、耐热性能、固化温度，得出了基体具有良好的耐热性能以及基体在180℃之前可完全固化。\n 对固化剂种类的选取及加入量进行了研究，得出了以氧化锌作固化剂基体的固化效果最好，其固化剂的加入量为基体的1.2％时，复合材料的弯曲强度最大。制备了纤维增强磷酸铬铝复合透波材料，对纤维增强磷酸铬铝复合材料进行了成型温度、成型时间、成型压力的研究，得出了成型温度、时间、压力分别为180℃、3h、7MPa时复合材料的力学性能最佳。\n 讨论了填料的种类与加入量对复合材料的力学、介电性能的影响，其中，以氧化铝作填料效果较好，加入量为35％力学性能最佳。\n 制取了氧化硅溶胶、氧化铬(Cr2O3)溶胶，研究了溶胶对硼酸铝晶须表面的处理的温度与时间。得出了氧化硅溶胶、氧化铬溶胶对晶须表面处理的温度分别为400℃以下、1000℃左右，处理时间为3h效果最佳。并研究了处理晶须的溶胶浓度对复合材料力学性能与介电性能的影响。\n 最后研究了硼酸铝晶须/磷酸铬铝复合透波材料的力学性能与介电性能，分别讨论了经高(T＞400℃)低(T＜400℃)温处理后的复合材料力学、介电性能受晶须含量的影响，得出了经高低温处理后随晶须含量的升高复合材料的介电常数与损耗都逐渐降低;晶须含量为6％的复合材料力学性能经200℃处理时最佳，而晶须含量为3％的复合材料在经1100℃处理后时力学性能最好(弯曲强度与维氏硬度分别为185.47MPa和155.8MPa)。

关键词： 变刚度复合材料   力学性能   铺层角度   有限元建模   优化设计  

摘要： 复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好等特点，广泛应用于航空、航天等领域中。传统的复合材料层合板多采用纤维直线铺放的制备方法。随着，纤维自动铺放技术的不断发展，利用先进的自动铺放设备，使得复合材料层合板的层内纤维角度发生连续的变化，带有这种连续变化角度铺层的复合材料被称为变刚度复合材料。与传统的复合材料相比，该材料的刚度是逐渐变化的，可以避免应力集中，并且可以降低复合材料层合板的重量和成本，因此，有必要对其进行力学性能以及铺层角度优化的研究。\n 给出了纤维曲线铺放参考路径的曲线函数以及铺层角度的变化规律，介绍了两种纤维曲线铺放的路径规划方法。应用离散思想，提出了一种纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板有限元建模方法。将连续的曲线纤维进行离散化，离散成若干个有限元单元，每一个单元都有固定铺层角度。在ANSYS中通过定义每一个单元的实常数，对整个层合板进行有限元建模。分别计算出了纤维曲线铺层和直线铺层的层合板的失效载荷，通过比较分析，纤维曲线铺层的变刚度复合材料层合板的弯曲和压缩失效载荷分别提高了16％、21％和51％、19％。\n 基于经典层合板理论，推导出了纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板的本构关系，并提出了一种提高变刚度复合材料力学特性的优化方案。以算例[±＜T0/T1＞]3S为研究对象，优化设计出了压缩载荷作用下，纤维曲线铺层的变刚度层合板最优的铺层角度为[±＜90/10＞]3S，从而使得变刚度复合材料的力学特性得到了明显提高。\n 根据纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板层内铺层角度的参考路径制备出铺层顺序为[±45/±＜45/60＞2/±＜15/30＞]S和[±45/±＜15/30＞/±＜45/60＞/±＜30/45＞]S的变刚度复合材料构件，经热压固化成型，制备出变刚度复合材料层合板。对其进行损伤破坏试验，试验结果表明:与纤维直线铺层的复合材料相比，变刚度复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别提高了49％、42％和28％、32％;纤维直线铺放的复合材料层合板的断口破坏较为严重。纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板的结构性能得到了显著提高。