复合材料界面力学分析与设计开题报告

附录3开题报告毕业设计（论文）开题报告题目名称:航空复合材料界面力学性能分析学生姓名李扬专业机械工程及自动化班级六班一、选题的目的意义随着汽车轻量化、航空及军工材料多元化发展趋势，传统金属材料已不能完全满足使用需求，复合材料的快速发展和广泛应用使得材料运用更加完善。而界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有重要的影响。随着对复合材料界面结构及优化设计研究的不断深入。研究材料的界面力学行为与破坏机理是当代材料科学、力学、物理学的前沿课题之一。复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用；基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递介质。对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，而对作为复合材料3大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，其理论尚不完整，尤其从力学的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为越来越受到重视。近年来，国际复合材料界对复合材料细、微观结构如何影响其宏观性能方面越来越重视，以1995年在加拿大召开的第10届国际复合材料大会为例，复合材料微观结构与性能的研究成了大会讨论的热点，涉及细、微观结构的文章有23篇、微观力学的文章有17篇、断裂力学的有13篇。专家们一致认为解决复合材料界面与应力问题的有效途径应当采用真实可靠的细微观测试技术，并结合细观力学的分析方法，对复合材料的损伤机理和破坏模式进行细致的研究，才能对复合材料的强度进行准确预报。因此，对复合材料界面力学性能的研究具有重大意义。二、国内外研究综述复合材料中的增强体不论是颗粒还是纤维，与基体在成型过程中将会发生程度不同的相互作用和界面反应，形成各种结构的界面。而复合材料，作为结构材料，要将物理、化学及力学性能相差较大的增强纤维和基体复合形成一个整体，并且最大限度的发挥其最佳的综合性能，必须要求两相之间形成完整的界面。界面作为复合材料纤维与基体性能复合的桥梁，在复合材料中起着重要的作用：1.界面直接影响到纤维与基体间的应力传递与分散，从而影响复合材料的刚度与强度；2.界面控制复合材料损伤积累及传播的历程，进而影响复合材料的断裂韧性；3.界面严重影响到复合材料的耐老化、介质稳定性。因此深入研究界面的形成过程、界面层性质、界面粘合应力传递行为以及他们对宏观力学性能的影响规律，精确地表征增强相与基体之间界面粘结的情况，利用定量化描述，进而有效进行控制，是获取高性能复合材料关键。早期的复合材料研究认为复合材料界面仅是增强材料与基体材料之间的一个结合面。后来研究者发现无论是从纤维应力传递角度还是从复合材料结构角度来考虑，纤维与基体间存在的都不是一个简单的结合面，而是性质与纤维、基体本体都不相同，组成和结构随原料配比和加工条件变化而变化的具有有限厚度的物质。后来，从层压板内应力松弛和纤维/基体均匀应力传递研究中，提出了两个早期的唯象界面理论(可形变层理论和约束层理论)，并从事实上揭示了界面层存在的必然性；随后在硅烷偶联剂对玻璃纤维影响的模拟研究中证明了硅烷偶联剂导致玻璃纤维增强热固性塑料力学性能提高，界面层的组成和结构也发生了改变，并对复合材料体系的整体性能起着决定性的作用。上世纪七十年代起，碳纤维等高性能纤维和增强热塑性树脂开始受到特别的重视。一方面在纤维表面引入聚合物涂层以优化复合材料的强度和韧性成为工业开发和基础研究中的热点；另一方面，热塑性聚合物因纤维的存在而产生的结构形态变化以及对复合材料性能的影响形成了纤维增强复合材料领域中的新课题。与此同时，以微、细观力学试验和有限元分析为主流的复合材料力学研究开始考虑第三相(界面相)的存在。以Drzal[31-32]在论文标题使用界面相这一术语为标志，纤维复合材料界面工程的研究进入了新的阶段；以准确把握纤维处理过程和复合材料加工工艺对界面层结构的作用，以及二维的界面相物质与复合材料性能之间关系为目的而进行的界面研究，成为材料科学与工程领域中的一个十分活跃的分支。随着对界面认识的不断深入，发现复合材料界面效应与增强体及基体(聚合物、金属)两相材料之间的润湿、吸附、相容等热力学问题有关，与两相材料本身的结构、形态以及物理、化学等性质有关，与界面形成过程中所诱导发生的界面附加应力有关，还与复合材料成型加工过程中两相材料相互作用和界面反应程度有密切关系。复合材料界面结构极为复杂，因此国内外学者围绕增强体表面性质、形态、表面改性、表征以及增强体与基体的相互作用、界面反应、界面表征等方面来探索界面微结构、性能与复合材料综合性能的关系。归纳起来，主要包括以下几个方面的内容：1.界面层结构的研究主要包括硅烷偶联剂形成的界面结构，纤维界面化学结构对热固性基体界面层结构的影响，聚合物涂层引入的基体界面层对界面的作用，纤维表面化学结构和形貌对热塑性基体界面层结构的影响等。2.界面层的控制主要包括纤维表面处理，复合材料界面应力的控制，界面化学反应及界面稳定性控制等。3.界面应力传递及界面破坏机理主要包括界面应力传递机理，界面破坏机理。4.界面层结构和性质与复合材料性能的关系主要包括涂胶层或聚合物涂层的存在对热固性碳纤维复合材料宏观性能的影响和热塑性复合材料的研究。目前国际复合材料界对复合材料细微观结构如何影响其宏观性能越来越重视，纤维/基体界面的表征与优化己被列为复合材料研究领域的四大技术之一，又称为复合材料表面与界面工程。研究者们一致认为要建立有效的定量研究复合材料界面结合力的实验技术，对复合材料界面进行全面、准确的表征，通过材料与力学，宏观与微观，理论与实践相结合，了解界面性质并探索界面结构与宏观性能之间的规律，进而控制优化设计，以求制取具有最佳综合性能的复合材料。而对于界面性能的研究,三点弯曲[1]、偏轴拉伸[2]等宏观试验方法研究纤维/基体间的界面粘合性，但是这只能做定性比较，不能得到界面强度的定量信息。单丝拔出[3-4]、纤维断裂[5-6]、纤维顶出[7-8]等单纤维模型复合材料测试方法被提出,用来测量碳纤维复合材料的界面强度，取得了一定效果。黄玉东教授[9]在这方面做了大量的研究工作。剪滞模型[10]、Hedgepeth模型[11]、内聚力模型[12]、弹簧模型[13]以及有限元方法的应用[14-16]为从理论上模拟计算复合材料界面强度提供了强有力的依据。我国对界面方面的研究起步较晚，例如中国科学研究院化学研究所对碳纤维表面处理问题进行细致的研究，南京玻璃纤维研究院对纤维表面处理进行了长期的研究，上海交通大学研究了金属基复合材料界面等问题，中山大学材料研究所对聚合物复合材料界面问题开展了研究[17-30]。哈工大黄玉东、张志谦、张少实等人研究了测定复合材料中纤维与基体间界面剪切强度的微脱粘力方法和仪器，成功的表征了碳纤维复合材料和芳纶纤维复合材料的界面性能，研究了CF表面经不同的处理后CF/聚酞亚胺复合材料的界面剪切强度；张少实是国内最早采用有限元法分析纤维/基体界面剪切强度的研究人员之一。中科院金士九，王霞等人用单纤维拔出实验研究了经纤维表面处理的芳纶/树脂复合材料的界面结合情况和破坏形式，同济大学稽醒等人对纤维压入试验从试验装置、试样制备、试验过程以及试验的理论分析方法等各方面进行了详细介绍。并用这种试验方法测试了碳纤维/环氧的界面强度，应用弹性力学奇异积分方程方法解释了实验结果。尽管对复合材料界面的研究已经有许多的研究方法和理论，但由于界面存在的复杂性，纤维在基体中断裂过程的随机性，所述的模型、理论模拟只能近似地反映实际情况。关于界面的研究还存在许多有待于进一步研究和解决的问题：1．各种理论都有自己的实验基础，都能解释某些界面作用机理和界面现象。但都不能完全解释界面的作用机理。由于界面问题本身的复杂性，建立起统一的界面作用理论目前还有一定的困难，但这是界面研究的一个方向。2．目前分析中所使用的理论模型和假设与界面的实际情况相差很大，从而使微观力学分析所得到的结论只能做为复合材料设计和使用中的一个参考。建立有效的理论模型和与界面真实情况相适应的界面假设是研究的重点。3．缺乏对复合材料界面损伤形成与发展的观察和研究，使界面损伤机理的研究工作只停留在损伤结果的研究之外，面对重要界面损伤的形成及界面裂纹扩展机理的研究无法进行。4．纤维断裂数据的估算，会受到实验条件和所选材料参数变化的影响，例如，对碳纤维/环氧体系而言，纤维和基体间的热膨胀系数相差很大，在准备断裂拉伸试样时，固化时间的变化也会产生不同程度的残余热应力，这将影响界面剪切强度估算的准确性。5.试样的制备、选材和环境温度等都将影响最终的复合材料性能。6.理论分析的准确性有待进一步研究，对结果的分析不可避免存在误差。这些问题仅为界面研究中的一部分，在实际的操作过程中会发现更多的困难。三、毕业设计（论文）所用的方法利用ANSYS有限元分析软件建立复合板的几何模型，进行适当网格划分生成有限元模型，设定基本参数，在不同条件下施加载荷，进行计算。四、主要参考文献与资料获得情况[1]BartosP.Analysisofpullouttestsonfibersembeddedinbrittlematrices[J].journalofMaterialsScience,1980,15(12):3122-3128[2]DrzalL.Adhesionofgraphitefiberstoepoxymatices[J].JournalofAdhesion,1983,16(2):133-152[3]FavreFP,PerrinJ.Carbonfiberadhesiontoorganicmatrices[J].JMaterSci,1972,7(10):1113-1118[4]ChuaPS,PiggotMR.Theglassfiber-polymerinterfaceI:Theoreticalconsiderationforsinglefiberpull-outtests[J].ComposSciTechnol,1985,22(1):33-42[5]KellyA,TysonWR.Tensilepropertiesoffiber-reiforcedmetals:Copper/tungstenandcopper/molybdenum[J].JMechPhysSolids,1965,13(6):329-350[6]DrzalLT,RichMJ,CanpingJD,etal.Interfacialshearstrengthandmechanismsingraphitefibercomposites[C],1980,Paper20C,1-7[7]MandellJF,ChenJH,McGarryFJ.Amicrodebondingtestforin-situfiber-matrixbondstrengthandmoistureeffects[c]/In35thConferenceofReinfocedPlsatic.NewYork,USA:SocietyofthePlasticsIndustry,1980:paper26D,1-10[8]MandellJF,GrandeDH,TsiangTH,etal.Modifiesmicrodebongdingtestfordirectinsuitfiber/matrixbondstrengthdeterminationinfibercomposites,ASTMSTP893[R]1986:87-108[9]黄玉东,聚合物表面与界面技术[M].北京:化学工业出版社,2003:281-339[10]CoxHL.TheElasticityandstrengthofpaperandothe