多元多层碳纤维的设计准则初探

期遭技术研究 2007年4月第2期 1 引言 多元多层碳纤维的设计准则初探 中北大学 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 科学与工程学院张斌高建峰刘亚青王赫 摘要 以自愈合碳纤维增强陶瓷基复合材料中的多元多层碳纤维为研究对象，采用 ANsYs有限元软件进行建模和仿真，研究了多元多层碳纤维的韧性、层数对多元多层碳纤维 承载时应力分布的影响情况，同时研究了2D正交铺设中两种铺向的多元多层碳纤维中应力分 布的特点，得到了多元多层碳纤维的初等设计准则。 关键词 多元多层碳纤维 自愈合微裂纹ANsYs 连续碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRC)具有 耐高温、低密度、高比模、高比强、抗氧化和抗烧蚀 等优异性能，在航空航天、兵器和能源等领域得到了 广泛的应用【1~4】。碳纤维的存在很好地改善了陶瓷基 体的脆性，提高了其韧性和使用寿命。但在高温的使 用环境中，氧和水会随着基体中的微裂纹向内部扩 散，引起碳纤维的快速氧化，降低复合材料的力学性 能，导致复合材料失效。目前，解决此问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的最佳方 法是制备具有多元多层微结构的碳纤维，并在多层中 引入能够在高温条件下形成液相的物质，即引入自愈 合单层，利用其在高温下的流动性填封复合材料内部 产生的微裂纹，同时多层结构还会在微裂纹向纤维内 部扩散时使方向产生偏转，从而更加有效地保护碳纤 纠，峭】。多元多层结构极为精细，具有尺度小、成分 多的特点，由于在制备工艺中很难精确控制每层的成 分和厚度，因此试图通过实验手段建立其设计准则的 难度很大。 cFRC一般都应用在高载荷、高温的复杂环境中， 受力情况极为复杂。本文以发动机燃烧室壁2D连续 碳纤维增强陶瓷基复合材料中的多元多层碳纤维为 研究对象，采用目前国际上使用最为广泛的ANSYS 有限元 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 软件对其承载情况进行建模和仿真，考察 了多元多层碳纤维的韧性、层数对多元多层碳纤维中 应力分布的影响规律，同时研究了2DCFRc中两种 铺向的多元多层碳纤维中应力分布的特点，得到了多 元多层碳纤维的初等设计准则。 2力学分析与建模 多元多层碳纤维的结构见图1【51。 图1 多元多层结构裂纹偏转和纤维与基体拔出 燃烧室中发生的是一系列剧烈的化学反应，在燃 烧室壁的垂直方向产生正压力，并在燃烧室壁表面产 收稿日期：2007—03．06 作者简介：张斌(1981．)，材料学专业；研究方向：功能高分子与复合材料技术。 30 万方数据 期谴技术研霓 航天制造技术 生冲刷作用。考虑到陶瓷基体的承载作用，可以认为 纤维轴向平行于冲刷方向的多元多层碳纤维只在纵 向承受正压力，并将这一正压力假设为静载荷。同时， 多元多层碳纤维在制备时由于各层线膨胀系数的不 同而产生的残余应力和多层中的温度应力与多元多 层碳纤维承受的正压力相比太小，忽略不计。因此， 根据以上的近似处理和弹性力学理论，将原为非线 性、热力耦合和动态的复杂力学问题简化为线性、静 载荷作用的平面应变问题。 多元多层碳纤维的多层结构通常为：碳纤维本体 ／碳化硼／碳化硅／碳化硼／碳化硅⋯．．一般为10～20层。 碳纤维的弹性模量取600GPa，碳化硼的弹性模量取 360GPa，碳化硅的弹性模量取450GPa，以上各种材 料的泊松比均取0_3。碳纤维直径一般为5．0～8．0um， 而每一单层的厚度约为30nm，本文中以单层厚度／碳 纤维直径为1／200建模，计算中采用ANSYS的S01id 82平面单元，假设多元多层碳纤维在横截面的上半圆 边界处承受有500N的均布外载。 分析中仅考虑了弹性、小变形的情况，考察多元 多层碳纤维中的应力场分布，从而预测其可能的破坏 位置和破坏形式，为其结构设计准则提供依据。 3 ANSYS模拟的结果与分析 3．1 多元多层碳纤维的韧性对其应力分布的影响 图2 多元多层碳纤维等效应力分布图(15层) 图2a为不考虑纤维在正压力方向上发生位移的 多元多层碳纤维等效应力分布图；图2b为假设其所 有节点受力时在正压力方向有相对于碳纤维直径 1／20位移的多元多层碳纤维等效应力分布图。由图2a 可以看出，多元多层碳纤维的整个横截面都是高应力 区，易于形成应力集中，导致微裂纹的生成，材料极 易遭到破坏。图2b中应力均匀分布在多元多层碳纤 维中，且高应力区仅集中在多元多层结构的左右两 侧，多元多层结构内部(尤其是受力一侧)承受了较 多载荷，且碳纤维内部无应力集中，这类应力分布在 承载时有利于能量的分散，承载情况较为合理。 可见，当多元多层碳纤维承载时，提高其在受力 方向上产生相对位移的能力，可以有效降低其结构中 应力集中的程度，并使能量均匀分布在多元多层结构 中，这可减少微裂纹的生成，并有利于多元多层结构 中的自愈合组分对已生成微裂纹的填封效应。 3．2多元多层碳纤维的层数对其应力分布的影响 图3考虑正压力方向位移的多元多层碳纤维等效应力分布图 31 万方数据 稍建拣木研察 2007年4月第2期 图3a、b均为考虑正压力方向位移为碳纤维直径 1，20时多元多层碳纤维等效应力分布图，由图3a可 见，当层数较少时，应力集中在多元多层微结构的左 右两侧，并且向内部渗透的趋势明显，相邻碳纤维本 体部分已经处于较高的应力区中，易于导致多元多层 微结构的填封效应失效和碳纤维的破坏；图3b中的 高应力区主要分布在多元多层微结构内，有利于多元 多层微结构中自愈合单层的填封效应，承载情况合 理。 由以上分析可见，适当地增加多元多层微结构的 层数，能够有效地改善多元多层碳纤维内部的应力分 布，减少应力集中，有效发挥自愈合单层的填封效应， 提高其使用寿命。但随着多元多层碳纤维层数的增 加，必将导致其工艺的复杂和制造成本的增加，因此 应根据复合材料的使用环境和承载情况确定最佳层 数。 3．3 2DcFRC中纤维轴向垂直于冲刷方向的多元多 层碳纤维中应力分布情况 图4在正压力方向有相对于碳纤维直径1／20、 在平行于冲刷方向有相对于碳纤维直径 3／20的多元多层碳纤维等效应力分布，15层 若2DCFRC中O。铺层的多元多层碳纤维轴向与 冲刷方向一致(如3．1，3．2)，则其900铺层的多元多 层碳纤维轴向与冲刷方向垂直，此时对于90。铺层的 多元多层碳纤维还需考虑其在冲刷方向(即垂直于正 压力方向)的位移。图4为假设其在正压力方向有相 对于碳纤维直径1／20、在平行于冲刷方向有相对于碳 纤维直径3纪0的等效应力分布图。由图4可见，在碳 纤维中分布的应力相对较小，高应力区都集中在多元 多层结构内部，很多地方的应力集中程度高，易于在 多元多层结构内部产生微裂纹。因此，对于在冲刷方 向有较大位移的多元多层碳纤维，制备时应考虑增加 32 其多元多层结构中自愈合单层的厚度，从而对于生成 的裂纹进行更为有效的填封。 4结论 对于2D铺层的CFRC，通过ANSYS的建模与仿 真，得到了以下几条初等设计准则： a．在设计制造多元多层碳纤维时，应通过调节其 单层的组分和排列顺序，尽可能增加其在受力方向上 发生位移的能力，可以提高其承载能力： b．应根据CFRC的使用环境和承载情况，确定其 最佳层数，当层数较少时易于导致碳纤维本体的破 坏； c．对于纤维轴向垂直于冲刷方向铺放的多元多 层碳纤维，由于在承载过程中多元多层内部结构中会 出现较多的应力集中区，应考虑增加其自愈合单层的 厚度，从而对生成的微裂纹进行有效的填封。建议对 于2D铺层的CFRC，在两种铺设方向上选用不同多 元多层结构的碳纤维。 本文只是得到了多元多层碳纤维的一些初等设 计准则，在该领域还有大量的、深入的研究工作等待 着材料学和力学工作者。 参考文献 1潘育松，徐永东，陈照峰。等．【J】．2Dc／sic复合材料烧蚀性能分析．兵 器材料科学与工程，2006，29(1)：17～20 2武文明，成来飞，张立同，等．【J]．c，sjc复合材料热辐射性能研宄固 体火箭技术。2005，28(4)：303～307 3童巧英，成来飞，张立同．c，sic复合材料与Nb的液相渗透连接．航空 材料学报，2004，24(1)：53～56 4范尚武，徐永东，张立同，等．[J]．C，sic摩擦材料的制备及摩擦磨损性 能．无机材料学报，2006，21(4)：927～934 5张立同，成来飞，徐永东，等．【J】．自愈合碳化硅陶瓷基复合材料研究 及应用进展．航空材料学报，2006，26(3)：226～232 6 SCHIⅡTEJF，SCHMIDTJ，T八MMER，’eta1．Oxidationbehaviourof C，C·SiCcoatedwimSiC—B4C—SiC-cordieriteoxida“onprotectionsystem MatI：rialsSciencea11dEngineeringA，2004，386(1—2)：428～434 7 ASLAINR，PAILLERR-BOURR—汀X，eta1．Synthesisofhighlytailored ccrarnicma晡x∞mpositesbypressure—puIsedCVI．S01idS诅teIonics· 2001，141～142：541～548 8 ASLAINR．Designpreparationandpmpemesofnon-oxideCMCsfor appncationin％ginesa芏ldnuclearreactorsa互1 oVefview．Composites Sci朋cc舶dlhhn0109y·2004，64：155～170 万方数据 多元多层碳纤维的设计准则初探 作者： 张斌， 高建峰， 刘亚青， 王赫 作者单位： 中北大学材料科学与工程学院 刊名： 航天制造技术 英文刊名： AEROSPACE MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2007，(2) 引用次数： 0次 参考文献(8条) 1.潘育松.徐永东.陈照峰.成来飞.张立同.熊党生 2D C/SiC复合材料烧蚀性能分析[期刊论文]-兵器材料科学与工 程 2006(1) 2.武文明.成来飞.张立同.徐永东.陈杰锋 C/SiC复合材料热辐射性能研究[期刊论文]-固体火箭技术 2005(4) 3.童巧英.成来飞.张立同 C/SiC复合材料与Nb的液相渗透连接[期刊论文]-航空材料学报 2004(1) 4.范尚武.徐永东.张立同.成来飞.楼建军 C/SiC摩擦材料的制备及摩擦磨损性能[期刊论文]-无机材料学报 2006(4) 5.张立同.成来飞.徐永东.刘永胜.曾庆丰.董宁.栾新刚 自愈合碳化硅陶瓷基复合材料研究及应用进展[期刊论文]- 航空材料学报 2006(3) 6.SCHULTE J F.SCHMIDT J.TAMME R Oxidation behaviour of C/C-SiC coated with SiC-B4C-SiC-cordierite oxidation protection system 2004(1-2) 7.ASLAIN R.PAILLER R.BOURRAT X Synthesis of highly tailored ceramic matrix composites by pressure- pulsed CVI 2001 8.ASLAIN R Design preparation and properties of non-oxide CMCs for application in engines and nuclear reactors an overview 2004 相似文献(1条) 1.期刊论文 张斌.刘亚青.高建峰.王赫.ZHANG Bin.LIU Ya-qing.GAO Jian-feng.WANG He 基于ANSYS的多元多层碳 纤维设计研究 -兵器材料科学与工程2008,31(1) 试验以自愈合碳纤维增强陶瓷基复合材料中的多元多层碳纤维为研究对象,采用ANSYS有限元软件进行建模和仿真,研究多元多层碳纤维的抗变形性和 层数对多元多层碳纤维承载时应力分布的影响,以及2D正交铺设中两种铺向的多元多层碳纤维中应力分布的特点,并研究其热-应力耦合问题,得到了多元 多层碳纤维的初等设计准则. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_htgy200702009.aspx 下载时间：2010年2月8日