納米纖維改性C-C復合材料拉伸斷裂過程有限元分析.pdf

1、C/C復合材料作為一種特殊的炭材料,其應用領域在逐步擴大,但也對其使用條件提出了更加苛刻的要求。為了提高C/C復合材料的綜合性能或某些特殊性能,對其增強相炭纖維進行改性是必要且可行的。前期研究表明,炭纖維改性后C/C復合材料力學性能顯著提高,但增強增韌機理還沒有明確。本文以斷裂力學和界面力學為分析手段,通過有限元軟件ANSYS分別對C/C復合材料改性前后裂紋尖端應力強度因子進行了研究,探討了改性前后C/C復合材料的增強增韌機理。主要研究

2、結論如下:
　　改性前,分別建立了C/C復合材料中炭基體和炭纖維含橫向裂紋分析模型,研究裂紋擴展時其應力強度因子變化情況及在不同炭纖維含量、長度、炭基體彈性模量大小等條件下裂紋擴展時應力強度因子的變化規(guī)律。研究結果表明:炭基體裂紋的應力強度因子隨著裂紋增長而變大,但當其裂尖擴展至界面附近時其應力強度因子將變小;炭纖維裂紋的應力強度因子也隨著裂紋增長而變大,但當其裂尖擴展至界面附近時其應力強度因子會急劇變大;炭纖維含量、長度、基體彈

3、性模量大小等控制在一定范圍內,C/C復合材料具有最佳力學性能;建立了C/C復合材料多裂紋分析模型,研究結果表明界面貫穿裂紋與界面交點處存在冪次奇異性,且隨著炭纖維和炭基體彈性模量比的增加而增大。通過采用MATLA B軟件計算不同條件下的裂紋尖端奇異性指數(shù),驗證了有限元分析模擬的合理性。
　　改性后,分別建立了納米纖維改性C/C復合材料中炭基體和炭纖維含橫向裂紋的平行炭纖維軸向拉伸分析模型,研究了納米纖維含量、長度、生長角度及裂紋擴

4、展時是否觸及納米纖維等條件下裂紋應力強度因子的變化規(guī)律。研究結果表明:當炭基體裂紋不在納米纖維范圍內時,納米纖維含量越多、長度越長,其裂尖應力強度因子越小;當炭基體裂紋擴展到納米纖維區(qū)域內時,納米纖維含量越少、長度越短,其裂尖應力強度因子越小,且生長方向與裂紋面成60°左右時其裂尖應力強度因子最小;當炭纖維裂紋擴展時,納米纖維含量越多、長度越長,其裂尖應力強度因子越小。
　　改性后,建立了納米纖維改性C/C復合材料中基體含橫向裂紋