利用矩阵设计来设计添加强化纤维材料的伪应变硬化复合材料外文翻译资料

 2022-07-30 02:07

英语原文共 10 页,剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料


利用矩阵设计来设计添加强化纤维材料的伪应变硬化复合材料

摘要:本文从实验的角度,从微观力学的角度,从微观力学的角度出发,对9种直接拉伸荷载作用下的伪应变硬化行为进行了实验研究,并从理论上阐述了这种工程胶结复合材料的延性行为的条件。本文重点讨论了矩阵性质对复合伪应变-硬化的影响。研究了水胶比和砂胶比的混合成分对基体性能的影响。将理论和实验知识结合起来,提出了一种新型的复合材料设计方案。该研究的目标是,开发一种新的具有弹性模量的ECC材料,并将其添加到水泥基质中。最后,设计了一种新的复合材料,并通过实验证明其对伪应变硬化的性能和弹性模量的改进。

1,研究介绍

本文介绍了利用水泥粉煤灰石子等生产的建筑混凝土脆性行为的所进行改进。一般来说,利用短纤维增强性能的混凝土复合材料表现出来所谓的准脆性行为。这种行为的特点是具有更多的单轴张力和后峰软化性能。由于采用了纯矩阵的方式,纤维逐渐的从一个单一的裂纹平面拉出。近年来的一些非灾难性事故证明了这种情况,一个脆性矩阵被连续排列的短纤维和纤维充分强化。这种失败模式的特点是持续的,在第一次开裂后,承载能力达到最高,就像图一所示。伪应变硬化性能则随着基体裂纹增加,密度增加而到达顶峰。极限应变能力则有一部分被认为的记载,其条件从拟脆性行为过度到了非灾难性故障。

玻璃短纤维增强复合材料设计是显示伪应变硬化性能的基础,在微观水泥力学中被称为工程水泥复合材料。第一次试验时,复合材料只使用水泥在他们的矩阵里,没有进行聚集。在结果中显示缺乏不同富集情况下的精细表现,在实际工程应用中可能会导致较高的水合热,由此限制了这种材料广泛的应用在施工当中。

当前研究的主要目标是设计一种可以使用矩阵合并的新型ECC材料,用合适的骨料来保持其高弹性和保留其应变特性。现在已经研究到如下阶段。首先矩阵力学对对复合材料的性能影响,以及它的影响条件,实验证明了一些列的效果,在所定义的细观力学模型中,矩阵和一系列的骨骼韧性有关,并且增加细骨料倾向于增加复合材料的应变硬化性能和弹性模(量。

2,设计背景

对短纤维增强水泥复合材料性能的参数可分为三类。。第一个由相关的纤维,如纤维类型、几何和力量等到进行分类,,第二个相关的矩阵参数如抗拉强度、断裂韧性、弹性模量等等,和第三组由接口等相关参数的界面粘结强度来进行分类。在此研究中,我们将重点讨论基体参数和界面粘结强度对复合伪应变的影响。为了选出合适的矩阵类型,对这些参数进行了解是非常有必要的。

2.1,基体韧性和界面结合

由矩阵裂纹扩展的细观理论力学和裂纹桥联理论可知,通过李的研究发现,纤维含量必须超过某一临界体积分数Vf ,在之上脆性基复合材料会表现出伪应变硬化特性。在单轴拉伸载荷下,这个临界体积参数可以用矩阵,纤维和接口参数表示。V=12J/gt(L/D)6o。

其中J是复合尖端的韧性,L和D是纤维长度和直径,gt是表示接口摩擦强度,是描述基体和纤维相互作用的参数,当纤维被从一个倾斜的角度拉出时,类似于通过摩擦轮传递的柔韧的绳子,当纤维被拉出一个倾斜的角度时,在物理上,这种被吸的因素可以被解释为桥接力的增加。最后,6o是纤维桥接应力达到最大值0给出的裂缝开口。

6o=Lt/(1-n)Ed

在 q =(VfEf)/(VmEm),VfEf是纤维体积分数和弹性模量,Vm E分别是矩阵体积分数和弹性模量,当一个脆性的矩阵显示出伪应变硬化的时候,复合材料的强度和图示所重合,我们可以通过方程7来求出其强度。

根据泊松比,我们可以考虑到因为纤维存在而减少的裂纹前端尺寸,我们的目的是通过控制纤维体积的百分含量,来进行校正,减小方程的误差,简化方程。

其中方程1来生成图2 的图,他显示了预期的临界纤维体积分数V来作为界面强度的函数。在本研究中,我们使用了一种具有高模量聚乙烯纤维作为基本参考水泥的矩阵,利用控制水和含砂物质r来研究他们对复合行为的影响,这些修改则会预计导致纤维会直接从基体当中拉出,由图我们可以知道结果。通过表面改性技术,例如等离子体处理,可以进一步处理得到更好的结果。在图二中则给出了所用的光谱范围。

2.2设计目标

根据目前的研究情况,并且在图2的帮助下,我们可以得出三个理想矩阵性质指导原则。

1,由于其他所有参数都是相同的,矩阵韧性越低,就越容易实现复合材料的延性行为,由于纤维体积分数在实际控制范围低于2%时,其韧性应小于0.01k-0.02k,以确保伪应变硬化特性,其粘结强度低于0.6或者更小,细骨料含量也要进行调整,以达到符合材料基质断裂韧性的上限。

2,在其他所有参数都相同的情况下,更高的键强度将增强复合强度的复合性能,以及减少应变硬化所需要的纤维体积,纤维基质界面键强度最小值是0.5帕。光谱纤维的等离子体处理应用于界面增强。

3,通过第一个裂纹强度来得到最低纤维体积要求,可以通过来控制矩阵韧性和缺陷大小分布。由于缺陷大小难于定量控制,因此在实际应用中,矩阵抗拉强度控制在3帕以内。到达该值的时候,复合材料出现第一个裂纹,假设接近于矩阵抗拉强度,则低于复合强度,由方程3给出。

混凝土的水胶比,总含量,纤维体积分数等参数,影响了界面键强度和第一裂纹强度等微观力学性质。这对每一个微机械参数的独立控制提出了一些困难,因此,需要对这些参数进行额外的实验测量或理论解释。

3,实验程序

其抗拉强度,断裂韧性和弹性模量等特性受水胶比砂胶比,骨料类型,水泥类型,养护参数的影响。研究结果表明,在控制基体力学性能方面,水胶比和砂胶比是最重要的两个因素。一个程序设计有两个目的,一是了解细骨料对基体力学性能的影响,如断裂韧性,抗拉强度,抗压强度和弹性模量等。第二是使用合适的矩阵混合,从而产生一种新的ECC,具有聚集性,可以提高弹性模量。从现有的文献中可以看出,只有很少的实验程序能解释水泥基体的不同力学性能并与一种观点结合,从而达到理想的性能组合。然而,许多实验研究报告了各种混合参数对材料特定性质的影响,如抗压强度、弹性模量、抗拉强度或断裂韧性。在压缩、张力和骨折的测试过程如下。

3.1单轴压缩试验

采用2500 kN容量加载框架,对8000个试验系统进行了测试。每个气缸都是带封顶,在位移控制下进行测试,其负载率为0.0254米s - 1(0.001)。在普通矩阵标本的情况下,我们注意到失败载荷,通过将失效载荷除以圆柱体的横截面面积来计算压缩强度。在纤维复合材料压缩的情况下,记录了完整的负载-变形数据。从安装在机器头的探头和粘在试样上的应变仪收集了变形数据。

3.2单轴拉伸试验

在在位移控制器控制下,对张力库的标本进行了测试。5kN容量MTS 810材料测试系统,液压楔杆。使用的位移速率为0.005毫米-每秒。复合标本的拉伸试样的设置如图3所示。铝板被粘在拉紧标本的末端,便于抓住。MTS机器有一个全数字控制面板。此外,两个LVDTs被用来测量样品中两个点之间的位移,其长度为205毫米。然后可以从这些测试中确定拉伸行为。在矩阵样品中,铅的薄板被用于摩擦扣动。只有拉伸强度被记录在基质样品中。对普通的基体样品和复合试件的弹性部分的加载速率为0.001毫米每秒,而在复合试验的应变硬化状态下,速度提高到0.05毫米每秒。在其他地方,更详细地描述了拉伸测试过程。

3.3紧凑拉伸断裂试验

图3b所示的是紧凑型张力标本,用于测定基质材料的断裂韧性,根据这一过程,对紧凑型张力标本的几何形状进行判断。根据图示所显示的尺寸,最大裂纹的扩展基于ASTM E 399 - 78所规定,包含了样品厚度样品宽度和裂缝长度。

根据图3知道,该测量方法是确实有效的。骨折处理区应该比所有相关的样品尺寸都要小,利用了物质特征长度的概念。由已知文献可以知道,实验室大小的样品是不够的,对于材料断裂抗力的测量没法达到要求。图示为混凝土和纤维混凝土的断裂应力曲线,在本实验中水泥浆和砂浆在尺寸上相差了将近0.1mm,于是在测量断裂性能上LEFM的实验数据显然会更加可靠。在添加进样品内的沙子中,沙子最小直径为0.3mm。平均测量长度因此得出来了,即与平均最小平面的大小不一样。通过与以前的文献进行对比我们会发现,我们的测试误差小于百分之十,但是仍有误差,但是因为趋势相近,我们将其看作近似值。因此我们的数据将会更加准确。在测试中,我们应用了特殊的拉力测试机,所有试验均在五分钟内完成。

3.4测量复合材料的弹性模量

我们利用日本制造的20MM电子应变仪来测试复合材料的弹性模量和张力。本实验中用复合压力机来测量复合材料的表面张力和应变。利用垂直应变仪来测量复合材料的弹性模量。

4矩阵的组成

在这个组成中使用的一些基质混合组合物的基础之一如图4所示。这表明砂胶比对基体的弹性模量不同于水胶比,这些预测是基于由Hasin 提出了一个模型的影响。根据该模型分析,两相非均质材料,如水泥砂浆(两个阶段是水泥浆和砂)的弹性模量可以表示的弹性。图4显示了该程序中使用的一些矩阵混合成分的选择之一。它显示了砂胶比对不同水胶比的矩阵弹性模量的影响。这些预测基于Hasin提出的模型。根据该模型,可以用弹性模量来表示两相异质材料(水泥砂浆和砂粒两相)的弹性模量。图4显示了养护28天后,不同砂胶比和水胶比对弹性模量的四种效应。在复合材料中,Ep,vp(= 1 - va),E a,V ~是浆糊的弹性模量和体积分数。在推导过程中,泊松比的两个比率都和假设的相同,均为0.2,得出弹性模量的值为72Gpa。在目前实验中我们用的是硅砂,得出弹性模量和给出水胶比的比值。从实验数据中得到了规律。由图11我们可以知道,少量的沙子可以增加弹性模量,使这个矩阵的模量远远超过纯水泥基体的弹性模量。上面的方程可以作为一个矩阵选择的参考。

通过研究水泥骨料对其影响,我做了一下试验。用两个不同的水胶比(0.35和0.45),搭配三个不同的砂胶比(0.5,1.0和2.0)来进行研究,用的是波特兰水泥,并且在所有情况下都试样水泥和砂胶,使用的是分级的硅砂,以及分级硅灰,以及少量的超级增塑剂用于调整性能。图4估计了弹性模量和Eq的关系。并且显示了样品的设计。样品是精心在霍巴特仪器中准备的。每份样品至少三个样品,拉力样品压缩样品和弹性样品。所有样品在进行一天的潮湿养护过程后,全部进行脱色,在塑料布的固化下,放入水中固化,在室温存放下养护四周,所有样品大约有四到五周在测试中,测试过程中,试样处于视觉干燥状态。

5,矩阵的性质

表2列出了矩阵的测试结果,平均测量压缩强度和拉伸强度,列出了基体各组合的基体断裂韧性Km,复合裂纹尖端韧性,通过方程5计算出复合裂纹尖端韧性Jm,矩阵的弹性模量用方程7计算得出。通过核对,与已知矩阵进行比对,发现符合,因此对预测其他矩阵便会有信心。在下面几节中,矩阵的属性是通过视图的角度进行分析水胶比和砂胶比对抗拉强度抗压强度和断裂韧性的影响。

5.1水胶比的影响

图5和图6显示了水胶比对拉伸强度和基质断裂韧性的影响。除了砂胶比之外,所有的其他都含有相同含量的硅灰(20%),水的胶凝性比率是83%,可以看到水胶比从0.45降到0.35。事所有沙子和水泥的比率都有所变化,尤其是高砂胶比的组分。例如砂胶比为1的矩阵,增加了抗拉强度29%和韧性的73%。韧性的大幅度增加使他变得更加有效,并且不影响其应变硬化性能。

5.2砂胶比的影响

图5图6也表明,增加细骨料也能在固定水胶比的组分中增加断裂韧性和抗拉强度。可以观察到,在水胶比是0.45时,抗拉强度上升,将砂胶比从1,增加到2.0,抗拉强度上升33%,断裂韧性增加39%。这些表明了沙子的作用。由于高砂胶比低水胶比,导致了试样内的高孔隙率。

6,矩阵设计

图3表示了混合组分的测试。本实验有目的性的列出了ECC组合,而没有把他混在一起。ECC材料的延展性非常高,弹性模量相对较低。矩阵4被选用作为复合材料的组分,利用他测试下压韧性和弹性模量,其结果都比较高。按照1和4和5的比例混合测试结果显示拉伸强度接近3兆帕。所有情况下纤维均使用高模量聚乙烯纤维,纤维长度12.7毫米,直径38微米,弹性模量使117GPa,比重是0.97,纤维体积分数每个都是2%,对标本进行混合,其中一种使用纤维与等离子体处理,另外一种使用血浆处理纤维,等离子体处理能对纤维进行百分之百处理,来改善纤维的强度,然而在实际合成之前并不知道纤维实际性能。为了使实验更加完整,实验数据更有说服力,我们将测试单纤维拔拉实验测试,这些纤维被手工添加在已经准备好矩阵当中,以慢速混合,确保正确的配比,纤维必须慢慢的分段添加,同时使用高频振动来保证混合均匀,每组试样均制备三个取平均值。得出结果后,利用方程推到出界面键强度。然后在各种情况下测试抗压强度抗拉强度。

拉伸强度和应变能力

图7显示了a的拉伸应变行为是典型的ECC材料,同样的图8显示混合组样二的拉伸应变,是典型的应变软化特征,普通纤维增强混凝土。图9显示的是典型的复合材料的拉伸应变行为,混合组分3的拉伸强度是3.5MPa比混合组合1低35%,比3B高2%,这显示等离子体处理也反应在化学键当中强度值。混合1的拉伸强度高于混合2 的强度。图11显示了典型的应力应变行为,这四种复合材料一起进行比对,显示了ECC具有改善弹性模量的作用,并且还拥有本身的延展性。在图12中,矩阵的韧度是和方程1有关的。界面键强度和临界纤维体积纤维分数其2%。这曲线显示了应变硬化和标准脆性失效模式。与预期相符。另外,所有的组合的预期都符合该曲线。

7抗拉强度和抗压强度

表4列出了研究中使用的复合材料的平均压缩强度,可以观察到它的抗压强度,于是相比,混合3a的结构比较低。这可能是由于纤维引起的损伤效应引起的。结果与较高的孔隙率相比,仅仅使用矩阵材料的行为,最高的抗压强度可以达到72,2Mpa。含沙量越高强度

全文共6637字,剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料


资料编号:[143239],资料为PDF文档或Word文档,PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏,您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容!立即支付

以上是毕业论文外文翻译,课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。