矿物复合材料压缩性能的实验研究及数值模拟

摘要

矿物复合材料是以矿物颗粒为骨料并配以改性环氧树脂等胶结料所形成的一种新型复合材料，其制品称为矿物铸件。作为制造精密机床床身的理想材料，与传统铸铁等材料相比，矿物复合材料的力学性能有所不足，因此对于矿物复合材料的研究，首要的就是要提高其力学性能，以提高其在机械行业的应用价值。矿物复合材料的性能与内部各基础组分的性质与含量有很大的关系，构成复合材料的矿物颗粒骨料级配、胶结料和填料的类型与含量对成型后矿物复合材料制品的力学性能都有很大的影响。因此，合理选择骨料级配以及采用优化的配合比，对于得到经济性好、性能高的制品至关重要。
　　本文通过设计不同的实验方案，探究骨料级配、环氧树脂胶结料含量以及填料种类与含量对矿物复合材料压缩强度和压缩弹性模量等力学性能的影响。得到了矿物复合材料的最佳骨料级配和合理配合比，获得了压缩性能优良的矿物铸件。
　　通过建立反映骨料级配的矿物复合材料的二维中尺度有限元随机模型，对不同骨料级配的矿物复合材料的压缩性能进行了模拟，获得与实验测试值一致的压缩强度和压缩弹性模量的模拟值，证明这种用于矿物复合材料压缩性能模拟的方法具有较高的精确性。得到4种骨料级配下矿物复合材料在受压过程中的裂纹扩展、应力应变云图和应力-应变曲线等数据，为矿物复合材料材料的增强机理研究提供了理论基础。
　　借助影像测量仪的放大效应，观察矿物复合材料的内部结构和组织形貌，用于分析骨料颗粒之间与骨料表面胶砂的含量与分布状态的差异，以及对于成型后制品强度和弹性模量等力学性能的影响。
　　在注重新材料的开发设计、获得优化矿物复合材料的配合比的同时，总结出一种更为快捷有效的材料开发和设计方法。采用有限元模拟和实验相结合的方式，辅以材料的微观组织和结构分析，可以开发出性能优良的矿物复合材料。