纳米纤维改性C/C复合材料断裂过程的扩展有限元法分析

摘要

随着科技的进步发展，碳/碳复合材料其应用领域仍在逐步扩大，但是因为碳纤维与基体的界面结合程度并不高，容易脱粘，而且基体炭的强度不高容易开裂而导致材料失效。因此，为了提高 C/C复合材料的综合性能，对其进行改性，从而达到增韧的效果是必要且可行的。前期研究表明纳米炭纤维是进一步改善 C/C复合材料的理想材料，但有关纳米纤维改性C/C复合材料(CNF-C/C)的增强机理并没有深入的研究。本文采用数值模拟的方法来对 CNF-C/C复合材料的增强机理进行研究分析，目前 ANSYS的基本功能对于实现裂纹在垂直穿过界面后的扩展还无法实现，而编写的扩展有限元程序能够实现这一功能，所以本文采用ANSYS与扩展有限元程序结合起来，以分析改性后的复合材料中各因素的对材料性能的影响效果及增韧机理问题。本文主要研究工作如下：
　　（1）首先验证扩展有限元程序的可行性：采用不含预置裂纹的C/C复合材料模型，将扩展有限元程序运行出来的结果与直接采用ANSYS仿真的结果进行比较，两者模拟结果吻合，从而验证此程序的可行性。
　　（2）根据建立的C/C复合材料和CNF-C/C复合材料的概念模型以及给出的公式是从理论角度，证明了纳米纤维改性对C/C复合材料的增韧的作用，分析CNF的加入提高复合材料力学性能的原因，并估算纳米纤维含量的影响。
　　（3）模拟在C/C复合材料与CNF-C/C复合材料中，预置的垂直于结合界面的裂纹扩展情况，对计算结果进行比较分析，可以观察到由于纳米纤维的加入增加了碳纤维和基体之间的粘结强度，与研究者们前期的研究结果相同；
　　（4）模拟在不同纳米纤维长度的改性复合材料中裂纹垂直结合界面的扩展情况，结果显示随着纳米纤维长度的增加，裂缝偏转程度减小，即碳纤维不易被拔出；证明纳米纤维长度越长，碳纤维和基体之间的粘结程度越强，CNF增韧C/C复合材料的效果越好。
　　（5）模拟裂纹在不同基体弹性模量的改性复合材料中的扩展情况，可以看出在相同作用力下，随着基体弹性模量的增加裂纹偏转程度逐渐减小，表明纤维越不容易被拔出，CNF增韧C/C复合材料的效果越好。
　　（6）模拟裂纹在不同纳米纤维含量的改性复合材料中的扩展情况，依结果可见，裂纹的偏转角度随纳米纤维含量的增加而减小，即纤维和基体之间越不易脱粘，CNF增韧C/C复合材料的效果越好。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 C/C复合材料

1.2 C/C复合材料的结构及性能

1.3 纳米纤维

1.4 扩展有限元的应用

1.5 研究背景及主要内容

第二章 断裂力学理论基础

2.1 断裂模式

2.2 裂尖附近的应力及位移场

2.3 应力强度因子

2.4 复合型裂纹断裂理论判据

2.5 CNF-C/C复合材料的断裂特点

2.6 本章小结

第三章 扩展有限元基本理论及程序的调试与验证

3.1 扩展有限元法的基本原理

3.2 数值模拟的实现过程

3.3 本章小结

第四章 纳米纤维改性C/C复合材料断裂行为的数值模拟分析

4.1 纳米纤维改性C/C复合材料概念模型

4.2 数值模拟模型的设计与建立

4.3 纳米纤维的加入对C/C复合材料的影响研究

4.4 纳米纤维长度对裂纹扩展的影响研究

4.5 基体弹性模量对裂纹扩展的影响研究

4.6 纳米纤维含量对裂纹扩展的影响研究

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要工作回顾

5.2 本课题今后需进一步研究的地方

参考文献

附录

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢